CN112289677B - 一种柔性衬底高迁移率氧化物半导体薄膜室温生长与后处理方法 - Google Patents

一种柔性衬底高迁移率氧化物半导体薄膜室温生长与后处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性衬底超高迁移率氧化物半导体薄膜室温制备方法，在有机聚合物柔性衬底上氧化气氛室温生长氧化物半导体薄膜，然后进行包括下述四步处理过程的后处理，第一步为Ar等离子体处理，第二步为脉冲激光处理，第三步为O2等离子体处理，第四步为紫外光处理。上述制备技术和工艺前后相继，有机统一，所制备的ZnO、SnO2、In2O3、Ga2O3、TiO2、InGaZnO、ZnAlSnO薄膜，Hall迁移率均可超过100cm2/Vs，可广泛应用于快速响应的柔性电子与光电子器件。

Description

一种柔性衬底高迁移率氧化物半导体薄膜室温生长与后处理 方法
技术领域
本发明涉及一种氧化物半导体薄膜制备技术，尤其涉及一种柔性衬底且具有超高迁移率的氧化物半导体薄膜室温制备技术。
背景技术
随着社会的发展和进步，人们对信息电子产品的要求越来越高，柔性电子器件被认为是未来的一种新型信息电子产品，具有可穿戴、便携化和智能化的特点。众所周知，柔性电子器件需要使用有机聚合物衬底，而有机衬底的耐热温度很低，通常低于150℃，这就要求在以此为衬底的功能层薄膜在低温下生长，特别是可在室温下生长。在众多的半导体材料中，氧化物半导体薄膜可在室温下生长，因而在柔性电子技术中，氧化物半导体薄膜具有非常重要的地位，是一种核心材料。
但是室温下生长的氧化物半导体材料，结晶质量通常不高，物理化学性能受到很大限制。特别是电学性能，因为氧化物半导体薄膜在室温下生长，结晶度不高，薄膜中的缺陷浓度较高，因而通常迁移率不高，比如：柔性衬底上室温生长的ZnO薄膜，迁移率通常低于15cm2/Vs；柔性衬底上室温生长的SnO2薄膜，迁移率通常也低于15cm2/Vs；柔性衬底上室温生长的In2O3薄膜，迁移率通常低于25cm2/Vs；柔性衬底上室温生长的Ga2O3薄膜，迁移率通常低于1.5cm2/Vs；柔性衬底上室温生长的TiO2薄膜，迁移率通常低于5cm2/Vs。甚至在大多数情况下，上述这些氧化物半导体薄膜的迁移率仅为0.01～1cm2/Vs，在柔性衬底上室温生长的氧化物半导体薄膜低的迁移率对其应用形成了严重的制约。
氧化物半导体薄膜应用于场效应晶体管（FET），要求具有高的迁移率，这样器件就具有快的开光速度；氧化物半导体薄膜应用于传感器（sensors），也要求具有高的迁移率，这样器件就具有快的响应速度；氧化物半导体薄膜用于太阳能电池、发光二极管、高功率电子器件、存储器件等诸多领域，也都要求具有高的迁移率。因而，如何实现在柔性衬底上室温制程下制备的氧化物半导体薄膜具有高的迁移率，依然是一个尚未解决的科技难题。若该科技难题得以解决，则柔性电子器件必将获得快速的发展和广泛的应用。
发明内容
本发明的目的是针对上述科技难题，提供一种柔性衬底高迁移率氧化物半导体薄膜室温生长与后处理方法，经过该后处理方法的氧化物半导体薄膜达到超高迁移率。
为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案。
本发明提供了一种柔性衬底高迁移率氧化物半导体薄膜室温生长与后处理方法，包括下述步骤，且下述步骤依次进行：
第一步，氧化气氛室温生长：采用薄膜沉积方法，以N2O-O2混合气体为工作气氛，气氛总压强为2~6Pa，N2O:O2分压比为3:7~1:9，在有机柔性衬底上室温生长氧化物半导体薄膜；
第二步，Ar等离子体处理：Ar气压强5～7Pa，功率70～80W，Ar等离子体轰击薄膜12～16min；
第三步，脉冲激光处理：N2工作气氛，激光功率5~9mJ/cm2，对薄膜照射时间25~30ns，脉冲次数1次；
第四步，O2等离子体处理：O2气压强7～10Pa，功率15～20W，O2等离子体轰击薄膜40～45min；
第五步，紫外光处理：254nm紫外光，功率300~400mW/cm2，对薄膜照射时间25~30min。
上述五个处理步骤均在室温下操作，衬底不需要任何加热。
采用本发明的方法，在柔性衬底上所制备的ZnO、SnO2、In2O3、Ga2O3、TiO2晶体氧化物半导体薄膜，以及InGaZnO、ZnAlSnO非晶氧化物半导体薄膜，经后处理后，其Hall迁移率均超过100cm2/Vs。
本发明所述的柔性衬底为有机聚合物柔性衬底。
本发明中上述室温生长过程和四步后处理过程的各个步骤是一个有机的统一整体，须依次顺序执行完所有步骤，在发明人的实验中若上述过程中处理顺序或者省略其中某一或某几个步骤，或者更改上述步骤中的工艺参数，则无法制备出超高迁移率的氧化物半导体薄膜。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明的制备方法，薄膜生长和后处理技术均在室温下进行，且不会引起显著的温升，与有机聚合物柔性衬底兼容，是一种室温处理技术，可用于在室温下制备高性能的氧化物半导体薄膜，应用于柔性电子器件。
（2）氧化气氛室温生长，N2O-O2混合气体形成强氧化生长环境，有利于提升薄膜中的氧含量，N饱和可能的氧空位；Ar等离子体处理的作用为薄膜的结构重构；脉冲激光处理的作用为对薄膜瞬时退火，且不引起衬底的温升，N2气氛中产生的表面态N可起到中和氧化物薄膜表面悬挂键的作用；O2等离子体处理的作用为补充薄膜中的O含量，减少O空位，修补薄膜缺陷；紫外光处理的作用是进一步修补薄膜缺陷，清洁薄膜表面，提升薄膜平整度。经上述五步处理，氧化物半导体薄膜在室温下即可具有很高的质量和性能。
（3）采用本发明的制备技术，通过这些前后相继的室温工艺过程，解决了氧化物半导体薄膜需要高温退火才能实现高性能的技术难题，可制备得到很高电学性能的氧化物半导体薄膜，Hall迁移率可达到100cm2/Vs以上，满足柔性电子器件对高迁移率氧化物半导体薄膜的要求，有利于制作超快响应的柔性电子和光电子器件。
（4）本发明所述的制备方法，所有制程工艺均在室温下完成，可显著降低能耗，也便于工艺制程的融合与协调，有利于节能环保和降低生产成本。
（5）本发明所述的制备方法，均为典型的工业化技术，所使用的设备和工艺流程与现有的微电子工艺完全兼容，便于推广和规模化生产，实现工业上的大范围应用。
（6）本发明所提供的柔性氧化物半导体薄膜的室温制备方法，可为可穿戴、便携式和智能化柔性电子技术一种关键技术，在新一代信息电子领域具有广泛的应用前景。
具体实施方式
以下结合具体实施例进一步说明本发明。
实施例1
ZnO半导体薄膜由磁控溅射方法在室温下生长，所用衬底为PET衬底，以N2O-O2混合气体为工作气氛，气氛总压强为2Pa，N2O:O2分压比为1:9。室温生长所得的ZnO薄膜的后续处理方案如下：第一步，Ar等离子体处理，Ar气压强5Pa，功率70W，Ar等离子体轰击薄膜12min；第二步，脉冲激光处理，N2工作气氛，激光功率5mJ/cm2，对薄膜照射时间25ns，脉冲次数1次；第三步，O2等离子体处理，O2气压强7Pa，功率15W，O2等离子体轰击薄膜40min；第四步，紫外光处理，254nm紫外光，功率300mW/cm2，对薄膜照射时间25min。
采用上述方法制备得到的ZnO半导体薄膜，进行Hall测试，结果表明Hall迁移率最高为165cm2/Vs。
实施例2
SnO2半导体薄膜由电子束蒸发方法在室温下生长，所用衬底为PET衬底，以N2O-O2混合气体为工作气氛，气氛总压强为3Pa，N2O:O2分压比为1:9。室温生长所得的SnO2薄膜的后续处理方案如下：第一步，Ar等离子体处理，Ar气压强7Pa，功率80W，Ar等离子体轰击薄膜15min；第二步，脉冲激光处理，N2工作气氛，激光功率8mJ/cm2，对薄膜照射时间27ns，脉冲次数1次；第三步，O2等离子体处理，O2气压强9Pa，功率18W，O2等离子体轰击薄膜45min；第四步，紫外光处理，254nm紫外光，功率400mW/cm2，对薄膜照射时间27min。
采用上述方法制备得到的SnO2半导体薄膜，进行Hall测试，结果表明Hall迁移率最高为193cm2/Vs。
实施例3
In2O3半导体薄膜由脉冲激光沉积方法在室温下生长，所用衬底为PC衬底，以N2O-O2混合气体为工作气氛，气氛总压强为3Pa，N2O:O2分压比为1:9。室温生长所得的In2O3薄膜的后续处理方案如下：第一步，Ar等离子体处理，Ar气压强5Pa，功率75W，Ar等离子体轰击薄膜12min；第二步，脉冲激光处理，N2工作气氛，激光功率7mJ/cm2，对薄膜照射时间25ns，脉冲次数1次；第三步，O2等离子体处理，O2气压强7Pa，功率15W，O2等离子体轰击薄膜40min；第四步，紫外光处理，254nm紫外光，功率350mW/cm2，对薄膜照射时间27min。
采用上述方法制备得到的In2O3半导体薄膜，进行Hall测试，结果表明Hall迁移率最高为276cm2/Vs。
实施例4
Ga2O3半导体薄膜由超高真空脉冲激光沉积方法在室温下生长，所用衬底为PI衬底，以N2O-O2混合气体为工作气氛，气氛总压强为5Pa，N2O:O2分压比为3:7。室温生长所得的Ga2O3薄膜的后续处理方案如下：第一步，Ar等离子体处理，Ar气压强7Pa，功率80W，Ar等离子体轰击薄膜16min；第二步，脉冲激光处理，N2工作气氛，激光功率9mJ/cm2，对薄膜照射时间30ns，脉冲次数1次；第三步，O2等离子体处理，O2气压强10Pa，功率20W，O2等离子体轰击薄膜45min；第四步，紫外光处理，254nm紫外光，功率400mW/cm2，对薄膜照射时间30min。
采用上述方法制备得到的Ga2O3半导体薄膜，进行Hall测试，结果表明Hall迁移率最高为102cm2/Vs。
实施例5
TiO2半导体薄膜由脉冲激光沉积方法在室温下生长，所用衬底为PC衬底，以N2O-O2混合气体为工作气氛，气氛总压强为6Pa，N2O:O2分压比为3:7。室温生长所得的TiO2薄膜的后续处理方案如下：第一步，Ar等离子体处理，Ar气压强6Pa，功率75W，Ar等离子体轰击薄膜15min；第二步，脉冲激光处理，N2工作气氛，激光功率6mJ/cm2，对薄膜照射时间27ns，脉冲次数1次；第三步，O2等离子体处理，O2气压强8Pa，功率17W，O2等离子体轰击薄膜43min；第四步，紫外光处理，254nm紫外光，功率350mW/cm2，对薄膜照射时间28min。
采用上述方法制备得到的TiO2半导体薄膜，进行Hall测试，结果表明Hall迁移率最高为124cm2/Vs。
实施例6
InGaZnO半导体薄膜由脉冲激光沉积方法在室温下生长，所用衬底为PET衬底，以N2O-O2混合气体为工作气氛，气氛总压强为4Pa，N2O:O2分压比为2:8。室温生长所得的InGaZnO薄膜的后续处理方案如下：第一步，Ar等离子体处理，Ar气压强6Pa，功率75W，Ar等离子体轰击薄膜15min；第二步，脉冲激光处理，N2工作气氛，激光功率8mJ/cm2，对薄膜照射时间25ns，脉冲次数1次；第三步，O2等离子体处理，O2气压强8Pa，功率15W，O2等离子体轰击薄膜40min；第四步，紫外光处理，254nm紫外光，功率350mW/cm2，对薄膜照射时间25min。
采用上述方法制备得到的InGaZnO半导体薄膜，进行Hall测试，结果表明Hall迁移率最高为157cm2/Vs。
实施例7
ZnAlSnO半导体薄膜由磁控溅射方法在室温下生长，所用衬底为PC衬底，以N2O-O2混合气体为工作气氛，气氛总压强为4Pa，N2O:O2分压比为2:8。室温生长所得的ZnAlSnO薄膜的后续处理方案如下：第一步，Ar等离子体处理，Ar气压强7Pa，功率80W，Ar等离子体轰击薄膜15min；第二步，脉冲激光处理，N2工作气氛，激光功率8mJ/cm2，对薄膜照射时间25ns，脉冲次数1次；第三步，O2等离子体处理，O2气压强7Pa，功率16W，O2等离子体轰击薄膜40min；第四步，紫外光处理，254nm紫外光，功率350mW/cm2，对薄膜照射时间25min。
采用上述方法制备得到的ZnAlSnO半导体薄膜，进行Hall测试，结果表明Hall迁移率最高为124cm2/Vs。
本发明所提供的制备方法，虽然从柔性衬底为出发点进行研究，但柔性衬底并不作为对本发明技术方案的限制，本发明的技术方案同样可适用于薄膜所用的衬底为任意固态衬底，不仅包括有机聚合物衬底，也可包括传统的硅、蓝宝石、石英、玻璃、SiC等衬底，还可以包括金属等各种固态衬底。且本发明的技术方案适用所有的氧化物半导体薄膜，包括ZnO、SnO2、In2O3、Ga2O3、TiO2等晶体氧化物半导体薄膜，以及 InGaZnO、ZnAlSnO等非晶氧化物半导体薄膜。

Claims (9)

1.一种柔性衬底高迁移率氧化物半导体薄膜室温生长与后处理方法，其特征在于：在有机柔性衬底上氧化气氛室温生长氧化物半导体薄膜，然后进行后处理，所述后处理方法依次包括Ar等离子体处理、脉冲激光处理、O2等离子体处理以及紫外光处理四个步骤，且四个步骤均在室温下操作、所述柔性衬底不加热；所述氧化气氛室温生长在N2O-O2混合气氛中进行，所述脉冲激光处理在N2工作气氛中进行。
2.根据权利要求1所述一种柔性衬底高迁移率氧化物半导体薄膜室温生长与后处理方法，其特征在于：所述氧化气氛室温生长为：采用薄膜沉积方法，以N2O-O2混合气体为工作气氛，气氛总压强为2~6Pa，N2O:O2分压比为3:7~1:9，在有机柔性衬底上室温生长氧化物半导体薄膜。
3.根据权利要求1所述一种柔性衬底高迁移率氧化物半导体薄膜室温生长与后处理方法，其特征在于：所述Ar等离子体处理为：Ar气压强5～7Pa，功率70～80W，Ar等离子体轰击所述氧化物半导体薄膜12～16min。
4.根据权利要求1所述一种柔性衬底高迁移率氧化物半导体薄膜室温生长与后处理方法，其特征在于：所述脉冲激光处理为：N2工作气氛，激光功率5~9mJ/cm2，对所述氧化物半导体薄膜照射时间25~30ns，脉冲次数1次。
5.根据权利要求1所述一种柔性衬底高迁移率氧化物半导体薄膜室温生长与后处理方法，其特征在于：所述O2等离子体处理为：O2气压强7～10Pa，功率15～20W，O2等离子体轰击所述氧化物半导体薄膜40～45min。
6.根据权利要求1所述一种柔性衬底高迁移率氧化物半导体薄膜室温生长与后处理方法，其特征在于：所述紫外光处理为：254nm紫外光，功率300~400mW/cm2，对所述氧化物半导体薄膜照射时间25~30min。
7.根据权利要求1所述一种柔性衬底高迁移率氧化物半导体薄膜室温生长与后处理方法，其特征在于：所述高迁移率指Hall迁移率超过100cm2/Vs。
8.根据权利要求1所述一种柔性衬底高迁移率氧化物半导体薄膜室温生长与后处理方法，其特征在于： 所述氧化物半导体薄膜为ZnO、SnO2、In2O3、Ga2O3、TiO2、InGaZnO、ZnAlSnO薄膜中的任一种。
9.根据权利要求1所述一种柔性衬底高迁移率氧化物半导体薄膜室温生长与后处理方法，其特征在于：所述柔性衬底为有机聚合物柔性衬底。
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