CN106711202A - 一种p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜，所述ZnAlSnO中，Sn为材料的基体元素，且为+4价，与O结合形成材料的基体；Zn为+2价，Al为+3价，掺入基体形成p型导电；同时，Al作为空穴浓度的控制元素；Sn具有球形电子轨道，在非晶状态下电子云高度重合，起到空穴传输通道的作用。且p型ZnAlSnO非晶薄膜的化学式为ZnAlxSnyO1+1.5x+2y，其中0.4≦x≦0.6，6.3≦y≦6.7。本发明还公开了p型ZnAlSnO非晶薄膜的制备方法和应用。所制得的p型ZnAlSnO非晶薄膜的空穴浓度1014cm‑3，可见光透过率≧90%。将其作为沟道层应用于薄膜晶体管，迁移率为3.2~5.6cm2/Vs。
Description
技术领域
本发明涉及一种非晶氧化物半导体薄膜，尤其涉及一种p型非晶氧化物半导体薄膜及其制备方法。
背景技术
薄膜晶体管（TFT）是微电子特别是显示工程领域的核心技术之一。目前，TFT主要是基于非晶硅（a-Si）技术，但是a-Si TFT是不透光的，光敏性强，需要加掩膜层，显示屏的像素开口率低，限制了显示性能，而且a-Si迁移率较低（~2 cm2/Vs），不能满足一些应用需求。基于多晶硅（p-Si）技术的TFT虽然迁移率高，但是器件均匀性较差，而且制作成本高，这限制了它的应用。此外，有机半导体薄膜晶体管（OTFT）也有较多的研究，但是OTFT的稳定性不高，迁移率也比较低（~1 cm2/Vs），这对其实际应用是一个较大制约。
为解决上述问题，人们近年来开始致力于非晶氧化物半导体（AOS）TFT的研究，其中最具代表性的是InGaZnO。与Si基TFT不同，AOS TFT具有如下优点：可见光透明，光敏退化性小，不用加掩膜层，提高了开口率，可解决开口率低对高分辨率、超精细显示屏的限制；易于室温沉积，适用于有机柔性基板；迁移率较高，可实现高的开/关电流比，较快的器件响应速度，应用于高驱动电流和高速器件；特性不均较小，电流的时间变化也较小，可抑制面板的显示不均现象，适于大面积化用途。
由于金属氧化物特殊的电子结构，氧原子的2p能级一般都远低于金属原子的价带电子能级，不利于轨道杂化，因而O 2p轨道所形成的价带顶很深，局域化作用很强，因而空穴被严重束缚，表现为深受主能级，故此，绝大多数的氧化物本征均为n型导电，具有p型导电特性的氧化物屈指可数。目前报道的p型导电氧化物半导体主要为SnO、NiO、Cu2O、CuAlO2等为数不多的几种，但这些氧化物均为晶态结构，不是非晶形态。目前人们正在研究的AOS如InGaZnO等均为n型半导体，具有p型导电的非晶态氧化物半导体几乎没有。因而，目前报道的AOS TFT均为n型沟道，缺少p型沟道的AOS TFT，这对AOS TFT在新一代显示、透明电子学等诸多领域的应用产生了很大的制约。因而，设计和寻找并制备出p型导电的非晶氧化物半导体薄膜是人们亟需解决的一个难题。
发明内容
本发明针对实际应用需求，拟提供一种p型非晶氧化物半导体薄膜及其制备方法。
本发明提供了一种p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜，其中：Sn为材料的基体元素，Sn为+4价，与O结合形成材料的基体；Zn为+2价，Al为+3价，掺入基体形成p型导电；同时，Al具有较低的标准电势、与O有高的结合能，因而作为空穴浓度的控制元素；Sn具有球形电子轨道，在非晶状态下电子云高度重合，因而Sn同时起到空穴传输通道的作用。
本发明所提供的p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜，在ZnAlSnO材料中，Zn为+2价，Al为+3价，Sn为+4价；且ZnAlSnO薄膜为非晶态，其化学式为ZnAlxSnyO1+1.5x+2y，其中0.4≦x≦0.6，6.3≦y≦6.7；ZnAlSnO非晶薄膜具有p型导电特性，空穴浓度1014cm-3，可见光透过率≧90%。
本发明还提供了制备上述p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜的制备方法，具体步骤如下：
（1）以高纯ZnO、Al2O3和SnO2粉末为原材料，混合，研磨，在1000℃的O2气氛下烧结，制成ZnAlSnO陶瓷片为靶材，其中Zn、Al、Sn三组分的原子比为1:(0.4~0.6):(6.3~6.7)；
（2）采用射频磁控溅射方法，将衬底和靶材安装在溅射反应室中，抽真空至不高于2×10-3Pa；
（3）通入Ar-O2为工作气体，气体压强1.0~1.3Pa，Ar-O2流量体积比为100:33~100:67，溅射功率140~160W，衬底温度为室温，在Ar-O2离子的轰击下，靶材表面原子和分子溅射出来，在衬底上沉积形成一层薄膜，便得到p型ZnAlSnO非晶薄膜。
以本发明的上述p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜为沟道层，制备出AOS薄膜晶体管（TFT），所得的p型非晶ZnAlSnO TFT开关电流比在104量级，场效应迁移率3.2~5.6cm2/Vs。
上述材料参数和工艺参数为发明人经多次实验确立的，需要严格控制，在发明人的实验中若超出上述参数的范围，则无法实现设计的p型ZnAlSnO材料，也无法获得具有p型导电且为非晶态的ZnAlSnO薄膜。
本发明的有益效果在于：
1）本发明所述的p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜，其中Sn为材料的基体元素，Zn和Al掺入基体形成p型导电，同时Al为空穴浓度的控制元素，Sn起到空穴传输通道的作用，基于上述原理，ZnAlSnO是一种理想的p型AOS材料。
2）本发明所述的p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜，具有良好的材料特性，其p型导电性能可通过组分比例实现调控。
3）本发明所述的p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜，以此作为沟道层制备的p型AOS TFT具有良好的性能，为p型AOS TFT的应用奠定了基础。
4）本发明所述的p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜，与已存在的n型InGaZnO非晶氧化物半导体薄膜组合，可形成一个完整的AOS的p-n体系，且p型ZnAlSnO与n型InGaZnO均为透明半导体材料，因而可制作透明光电器件和透明逻辑电路，开创AOS在透明电子产品中应用，极大促进透明电子学的发展。
5）本发明所述的p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜，完全在室温下生长，非常适合于有机柔性衬底，因而可在可穿戴、智能化的柔性产品中获得广泛应用。
6）本发明所述的p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜，在生长过程中存在较宽的参数窗口，可实现大面积室温沉积，能耗低，制备工艺简单、成本低，可实现工业化生产。
附图说明
图1为各实施例所采用的p型非晶ZnAlSnO TFT器件结构示意图。图中，1为低阻n++ Si衬底，同时也作为栅极，2为SiO2绝缘介电层，3为p型非晶ZnAlSnO沟道层，4为金属Ag源极，5为金属Ag漏极。
图2为实施例1制得的以p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜为沟道层的TFT的转移特性曲线。
图3为实施例2制得的以p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜为沟道层的TFT的转移特性曲线。
具体实施例
以下结合附图及具体实施例进一步说明本发明。
实施例1
（1）以高纯ZnO、Al2O3和SnO2粉末为原材料，混合，研磨，在1000℃的O2气氛下烧结，制成ZnAlSnO陶瓷片为靶材，其中Zn、Al、Sn三组分的原子比为1:0.5:6.5；
（2）采用射频磁控溅射方法，将衬底和靶材安装在溅射反应室中，抽真空至2×10-3Pa；
（3）通入Ar-O2为工作气体，气体压强1.3Pa，Ar-O2流量体积比为100:33，溅射功率150W，衬底温度为室温，在Ar-O2离子的轰击下，靶材表面原子和分子溅射出来，在衬底上沉积形成一层薄膜，便得到p型ZnAl0.5Sn6.5O14.75非晶薄膜。
以石英为衬底，按照上述生长步骤制得p型ZnAl0.5Sn6.5O14.75薄膜，对其进行结构、电学和光学性能测试，测试结果为：薄膜为非晶态，厚度40nm；具有p型导电特性，空穴浓度1014cm-3；可见光透过率92%。
以镀覆有300nm厚度SiO2的n++-Si为衬底，按照上述生长步骤制得p型ZnAl0.5Sn6.5O14.75薄膜，以此作为沟道层，采用图1所示的结构制作出TFT器件，n++-Si为栅极，300nm厚的SiO2为栅极绝缘层，ZnAl0.5Sn6.5O14.75沟道层厚度40nm，100nm厚的Ag金属为源极和漏极, TFT沟道层长和宽分别为200μm和1000μm。对该p型ZnAlSnO非晶薄膜为沟道层的TFT进行器件性能测试，图2为测试所得的转移特性曲线，开关电流比为3.9×104，场效应迁移率5.6cm2/Vs。
实施例2
（1）以高纯ZnO、Al2O3和SnO2粉末为原材料，混合，研磨，在1000℃的O2气氛下烧结，制成ZnAlSnO陶瓷片为靶材，其中Zn、Al、Sn三组分的原子比为1:0.5:6.5；
（2）采用射频磁控溅射方法，将衬底和靶材安装在溅射反应室中，抽真空至2×10-3Pa；
（3）通入Ar-O2为工作气体，气体压强1.0Pa，Ar-O2流量体积比为100:43，溅射功率150W，衬底温度为室温，在Ar-O2离子的轰击下，靶材表面原子和分子溅射出来，在衬底上沉积形成一层薄膜，便得到p型ZnAl0.5Sn6.5O14.75非晶薄膜。
以石英为衬底，按照上述生长步骤制得p型ZnAl0.5Sn6.5O14.75薄膜，对其进行结构、电学和光学性能测试，测试结果为：薄膜为非晶态，厚度42nm；具有p型导电特性，空穴浓度1014cm-3；可见光透过率91%。
以镀覆有300nm厚度SiO2的n++-Si为衬底，按照上述生长步骤制得p型ZnAl0.5Sn6.5O14.75薄膜，以此作为沟道层，采用图1所示的结构制作出TFT器件，n++-Si为栅极，300nm厚的SiO2为栅极绝缘层，ZnAl0.5Sn6.5O14.75沟道层厚度42nm，100nm厚的Ag金属为源极和漏极, TFT沟道层长和宽分别为200μm和1000μm。对该p型ZnAlSnO非晶薄膜为沟道层的TFT进行器件性能测试，图3为测试所得的转移特性曲线，开关电流比为5.1×104，场效应迁移率5.3cm2/Vs。
实施例3
（1）以高纯ZnO、Al2O3和SnO2粉末为原材料，混合，研磨，在1000℃的O2气氛下烧结，制成ZnAlSnO陶瓷片为靶材，其中Zn、Al、Sn三组分的原子比为1:0.4:6.3；
（2）采用射频磁控溅射方法，将衬底和靶材安装在溅射反应室中，抽真空至2×10-3Pa；
（3）通入Ar-O2为工作气体，气体压强1.2Pa，Ar-O2流量体积比为100:50，溅射功率140W，衬底温度为室温，在Ar-O2离子的轰击下，靶材表面原子和分子溅射出来，在衬底上沉积形成一层薄膜，便得到p型ZnAl0.4Sn6.3O14.2非晶薄膜。
以石英为衬底，按照上述生长步骤制得p型ZnAl0.4Sn6.3O14.2薄膜，对其进行结构、电学和光学性能测试，测试结果为：薄膜为非晶态，厚度37nm；具有p型导电特性，空穴浓度1014cm-3；可见光透过率95%。
以镀覆有300nm厚度SiO2的n++-Si为衬底，按照上述生长步骤制得p型ZnAl0.4Sn6.3O14.2薄膜，以此作为沟道层，采用图1所示的结构制作出TFT器件，n++-Si为栅极，300nm厚的SiO2为栅极绝缘层，ZnAl0.4Sn6.3O14.2沟道层厚度37nm，100nm厚的Ag金属为源极和漏极, TFT沟道层长和宽分别为200μm和1000μm。对该p型ZnAlSnO非晶薄膜为沟道层的TFT进行器件性能测试，测试结果：开关电流比为2.1×104，场效应迁移率4.7cm2/Vs。
实施例4
（1）以高纯ZnO、Al2O3和SnO2粉末为原材料，混合，研磨，在1000℃的O2气氛下烧结，制成ZnAlSnO陶瓷片为靶材，其中Zn、Al、Sn三组分的原子比为1:0.6:6.7；
（2）采用射频磁控溅射方法，将衬底和靶材安装在溅射反应室中，抽真空至2×10-3Pa；
（3）通入Ar-O2为工作气体，气体压强1.2Pa，Ar-O2流量体积比为100:67，溅射功率160W，衬底温度为室温，在Ar-O2离子的轰击下，靶材表面原子和分子溅射出来，在衬底上沉积形成一层薄膜，便得到p型ZnAl0.6Sn6.7O15.3非晶薄膜。
以石英为衬底，按照上述生长步骤制得p型ZnAl0.6Sn6.7O15.3薄膜，对其进行结构、电学和光学性能测试，测试结果为：薄膜为非晶态，厚度45nm；具有p型导电特性，空穴浓度1015cm-3；可见光透过率90%。
以镀覆有300nm厚度SiO2的n++-Si为衬底，按照上述生长步骤制得p型ZnAl0.6Sn6.7O15.3薄膜，以此作为沟道层，采用图1所示的结构制作出TFT器件，n++-Si为栅极，300nm厚的SiO2为栅极绝缘层，ZnAl0.6Sn6.7O15.3沟道层厚度45nm，100nm厚的Ag金属为源极和漏极, TFT沟道层长和宽分别为200μm和1000μm。对该p型ZnAlSnO非晶薄膜为沟道层的TFT进行器件性能测试，测试结果：开关电流比为7.5×104，场效应迁移率3.2cm2/Vs。
上述各实施例中，使用的原料ZnO粉末、Al2O3粉末和SnO粉末的纯度均在99.99%以上。
本发明p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜制备所使用的衬底，并不局限于实施例中的单晶硅片和石英片，其它各种类型的衬底均可使用。
Claims (6)
1.一种p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜，其特征在于：所述ZnAlSnO中，Sn为材料的基体元素，且为+4价，与O结合形成材料的基体；Zn为+2价，Al为+3价，掺入基体形成p型导电；同时，Al作为空穴浓度的控制元素；Sn具有球形电子轨道，在非晶状态下电子云高度重合，起到空穴传输通道的作用。
2.根据权利要求1所述的一种p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜，其特征在于：所述p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜的化学式为ZnAlxSnyO1+1.5x+2y，其中0.4≦x≦0.6，6.3≦y≦6.7。
3.根据权利要求2所述的一种p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜，其特征在于：所述p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜的空穴浓度1014cm-3，可见光透过率≧90%。
4.如权利要求1～3任一项所述p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜的制备方法，其特征在于包括步骤：
1）以高纯ZnO、Al2O3和SnO2粉末为原材料，混合，研磨，在1000℃的O2气氛下烧结，制成ZnAlSnO陶瓷片为靶材，其中Zn、Al、Sn三组分的原子比为1:0.4~0.6:6.3~6.7；
2）采用射频磁控溅射方法，将衬底和靶材安装在溅射反应室中，抽真空至不高于2×10-3Pa；
3）通入Ar-O2为工作气体，气体压强1.0~1.3Pa，Ar-O2流量体积比为100:33~100:67，溅射功率140~160W，衬底温度为室温，在Ar-O2离子的轰击下，靶材表面原子和分子溅射出来，在衬底上沉积形成一层薄膜，便得到p型ZnAlSnO非晶薄膜。
5.如权利要求1～3任一项所述p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜在薄膜晶体管中的应用，其特征在于：所述p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜为薄膜晶体管的p型沟道层。
6.根据权利要求5所述p型ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜在薄膜晶体管中的应用，其特征在于：所述薄膜晶体管开关电流比在104量级，场效应迁移率3.2~5.6cm2/Vs。
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