專利名稱：一種透明氧化物半導(dǎo)體InGaZn₄O₇薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于薄膜材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種獲得透明氧化物半導(dǎo)體InGaZn407 薄膜材料的制備技術(shù)，主要是采用常壓固相反應(yīng)燒結(jié)法制備InGaZn407的陶瓷靶材，然后利 用脈沖激光沉積方法生長InGaZn407薄膜。
背景技術(shù)：
透明氧化物半導(dǎo)體(T0S)是一種有前途的用于光電子器件的材料，因?yàn)樗@示出 在可見光區(qū)高透射率，同時(shí)載流子濃度在一定范圍內(nèi)具有優(yōu)良操控性。到目前為止，許多光 電子器件已經(jīng)得到應(yīng)用，如P-N結(jié)整流器、紫外發(fā)光二級(jí)管和透明場效應(yīng)晶體管。隨著信息 技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于顯示器件性能的要求逐漸提高。響應(yīng)速度快、亮度高、能耗小、成本低 和柔性顯示成為顯示技術(shù)研發(fā)不斷追求的目標(biāo)。薄膜晶體管驅(qū)動(dòng)液晶顯示技術(shù)(TFT-IXD) 是顯示技術(shù)中的重要一種，將成為能夠滿足未來顯示需求的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。作為TFT-LCD 重要的開關(guān)元件，薄膜晶體管(TFT)性能的優(yōu)劣直接決定顯示性能的優(yōu)劣。薄膜晶體管溝 道層又是柔性顯示技術(shù)研發(fā)的重中之重，所以人們對(duì)多種可能成為溝道半導(dǎo)體的材料進(jìn)行 研究，其中包括有機(jī)半導(dǎo)體材料，如并五苯；氫化非晶硅(a_Si:H)；金屬氧化物半導(dǎo)體材 料，如氧化鋅(ZnO)等等。雖然采用ZnO制作的溝道半導(dǎo)體薄膜晶體管顯示出優(yōu)于前兩種 半導(dǎo)體材料的性能，但是ZnO薄膜在室溫下生長會(huì)表現(xiàn)出多晶結(jié)構(gòu)，其多晶結(jié)構(gòu)材料的晶 界會(huì)降低薄膜晶體管的整體性能。隨著溝道層材料物理性質(zhì)研究的逐漸深入和技術(shù)工藝的 飛速發(fā)展，InGaZnO薄膜材料用于柔性顯示便應(yīng)運(yùn)而生了，其優(yōu)異的光學(xué)與電學(xué)性能有希望 滿足未來柔性顯示器件技術(shù)與工藝提出的更高要求。在InGaZnO薄膜的制備中，主要有以下幾種方法溶膠-凝膠(Sol-Gel)、磁控濺 射(RF)和脈沖激光沉積(PLD)等。其中，PLD是一種迅速發(fā)展起來的新型薄膜制備方法， 具有生長環(huán)境穩(wěn)定且生長條件可控、工藝參數(shù)可精確控制、易于實(shí)現(xiàn)定向生長等突出優(yōu)點(diǎn)。 目前，其他薄膜生長方法制備出的薄膜純度較低，薄膜中缺陷密度較高，大大影響了器件的 性能和壽命，而且制備InGaZnO薄膜成本較高，生產(chǎn)工藝較繁瑣。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決InGaZnO薄膜生產(chǎn)成本較高，生產(chǎn)工藝較繁瑣的技術(shù)問題，本發(fā)明提供 一種透明氧化物半導(dǎo)體InGaZn407薄膜的制備方法。本發(fā)明中的InGaZn407薄膜的制備方法是采用PLD的方法，并通過下述技術(shù)方案實(shí) 現(xiàn)。A. InGaZn407 靶材的制備(1)將純度彡99. 99%的ln203、純度彡99. 99%的Ga203和純度彡99. 99%的ZnO粉 末，按1 1 8的摩爾比例稱量粉末，在研缽中進(jìn)行混勻與研磨；(2)將在步驟(1)中經(jīng)細(xì)化與混合均勻的粉末在常壓空氣氣氛下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié) 6 14h，燒結(jié)溫度為1000 1400°C ；
3
(3)將燒結(jié)后的粉末經(jīng)研磨處理后，進(jìn)行壓制成型，得到料胚，成型壓力為8 lOMPa，保持壓力時(shí)間2 4min ；(4)將壓制成型得到的料胚在常壓空氣氣氛下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)6 14h，燒結(jié)溫度為 1000 1400°C，制得 InGaZn407 靶材；B. InGaZn407 薄膜的生長(5)將作為襯底的InGaZnA靶材表面清洗后放入脈沖激光沉積系統(tǒng)的真空腔內(nèi)；(6)對(duì)真空室抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到10_3Pa以上時(shí)，同時(shí)向真空室通入氧氣，使氧 分壓保持在一定壓強(qiáng)下；(7)以紫外脈沖激光器為光源進(jìn)行脈沖激光沉積；沉積時(shí)，靶材和基片進(jìn)行自轉(zhuǎn)， 靶基距30 50mm ；同時(shí)調(diào)整紫外脈沖激光器輸出功率大小，使得核狀羽輝末端恰好接觸到 基片，在一定襯底溫度下生長InGaZn407薄膜，沉積時(shí)間為10 120min。其中在步驟(6)中所述的氧分壓為1. 0 20. OPa，在步驟(7)中所述的襯底溫度 為室溫 900°C。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)該薄膜的制備方法的原料便宜，工藝簡單，實(shí)驗(yàn)周期短。(2)采用固相反應(yīng)燒結(jié)法制備的InGaZnA靶材，產(chǎn)品組織細(xì)小均勻，能保持原材 料的自然狀態(tài)，可以得到高致密度的陶瓷靶材，該靶材不僅適用于脈沖激光沉積，而且同樣 適用于磁控濺射的方法。(3)通過調(diào)節(jié)襯底溫度、氧分壓等工藝參數(shù)來控制薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、厚度等物理性 質(zhì)，對(duì)薄膜的電學(xué)和光學(xué)特性也有一定的可控性。(4)采用脈沖激光沉積的方法可在較低的溫度下獲得高質(zhì)量的InGaZn407薄膜，對(duì) 于以后可能的在相對(duì)較低溫度下的工業(yè)生產(chǎn)、成本的降低與能源的節(jié)約也會(huì)成為優(yōu)勢。(5)有較好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。以下結(jié)合


和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明

圖1為InGaZnA陶瓷靶材的X射線衍射圖譜，該陶瓷靶材為典型的多晶結(jié)構(gòu)。圖2為室溫下沉積InGaZn407薄膜的透射光譜。該薄膜在200 300nm的紫外波 段有較強(qiáng)吸收，而在400 700nm的可見光區(qū)透過率很高，透射率在77% 92%的范圍內(nèi)。圖3為室溫下沉積InGaZn407薄膜的X射線光電子能譜(XPS)寬掃描譜。從譜圖中 可以得到，該薄膜薄膜樣品表面除包含元素In、Ga、Zn和0外，還包含元素C，C元素是IGZ0 薄膜樣品表面的污染物。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行詳細(xì)描述。
具體實(shí)施方式
一A.將 4. 0729g 純度為 99. 99 % 的 In203、2. 7495g 純度為 99. 999 % 的 Ga203 和 9.55198純度為99.99%的2110粉末(摩爾比為1 1 8)，采用分析天平稱量粉末，并把 粉末放入到瑪瑙研缽中進(jìn)行混勻與研磨。經(jīng)細(xì)化的粉末置于管式爐中燒結(jié)6h，燒結(jié)溫度為1200°C。再將首次燒結(jié)的粉末繼續(xù)粉碎和研磨，采用干壓法成型技術(shù)，將經(jīng)研磨處理過的粉 末經(jīng)液壓壓片機(jī)進(jìn)行壓制，獲得直徑30mm、厚度5mm的圓餅型料坯。成型壓力為lOMPa，保 持壓力時(shí)間2min。然后料坯再次置于管式爐中燒結(jié)6h，燒結(jié)溫度為1200°C，制得InGaZnO 靶材。上述燒結(jié)過程均是在常壓空氣氣氛下進(jìn)行。所制備的InGaZn4O7多晶陶瓷靶材表面 無裂紋，結(jié)構(gòu)致密，可適用于脈沖激光沉積以及磁控濺射用靶材。B. InGaZn4O7薄膜的生長采用PLD方法進(jìn)行。所使用 的激光系統(tǒng)為Nd:YAG脈沖激 光器，其輸出波長為1064nm，重復(fù)頻率為10Hz，脈寬為10ns。本實(shí)驗(yàn)采用該設(shè)備的三次諧波 (波長為355nm)，基片為石英玻璃(或藍(lán)寶石、硅片等)，靶基距50mm。首先，打開真空系統(tǒng) 的機(jī)械泵，對(duì)真空室抽真空。當(dāng)真空度達(dá)到0 5Pa時(shí)，打開分子泵，繼續(xù)進(jìn)行抽真空操作。 然后，當(dāng)本底真空度達(dá)到2. 5X IO-4Pa時(shí)，關(guān)閉分子泵，打開機(jī)械泵，并同時(shí)向真空室通入氧 氣，使氧分壓保持在5. OPa0沉積時(shí)，聚焦前激光平均功率為400mW，同時(shí)靶材和基片進(jìn)行自 轉(zhuǎn)，基片溫度為室溫(RT)，沉積時(shí)間為30min。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式在步驟B中，氧分壓保持在1. OPa，基片溫度為室溫， 其它步驟與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式在步驟B中，氧分壓保持在20. OPa，基片溫度為室 溫，其它步驟與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式在步驟B中，基片溫度為400°C。其它步驟與具體實(shí) 施方式一相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式在步驟B中，基片溫度為800°C。其它步驟與具體實(shí) 施方式一相同。所制備出的InGaZn4O7薄膜，經(jīng)原子力顯微鏡(AFM)測試，薄膜表面平整光滑，具有 較低的均方根粗糙度，由于薄膜晶體管中各薄層材料的平整度要求是比較高的，任意一層 薄膜的平整度的下降都會(huì)對(duì)薄膜晶體管整體性能產(chǎn)生明顯影響，所以本發(fā)明制備的薄膜符 合薄膜晶體管制備的要求；可見光高透過率的特性，對(duì)于透明氧化物半導(dǎo)體薄膜是一個(gè)非 常重要的指標(biāo)，也是用作顯示器件中晶體管構(gòu)成的必要條件之一，故采用紫外_可見光分 光光度計(jì)測試制備薄膜的透射譜；使用臺(tái)階儀，對(duì)薄膜厚度進(jìn)行測試；通過霍爾效應(yīng)測試， 可測得薄膜的電阻率、載流子遷移率以及該薄膜的導(dǎo)電類型。實(shí)施方式一至實(shí)施方式五所 制備薄膜的檢測結(jié)果，如表1所示。
實(shí)施薄膜表面粗糙度可見光透射率薄膜厚度~電阻率~遷移率導(dǎo)電
方式(nm)__(%)__(nm) ( Ω cm) (cmVVs")類型
—_2.0278 90 “ 1840.1488.5315 、型
-二2.3825 863180. 1658.0423 _ N 型
_ 三2.7980 91550. 1727.9621 — N型
一四3.4777 92 ~ 191 0.00396 21.362 —N 型
—五7.5770 931650.0128.1806 |N型表1實(shí)施方式一至五制備的InGaZn4O7薄膜的檢測結(jié)果
權(quán)利要求
一種透明氧化物半導(dǎo)體InGaZn4O7薄膜的制備方法，其特征在于該方法具體包括以下步驟A.InGaZn4O7靶材的制備(1)將純度≥99.99％的In2O3、純度≥99.99％的Ga2O3和純度≥99.99％的ZnO粉末，按1∶1∶8的摩爾比例稱量粉末，在研缽中進(jìn)行混勻與研磨；(2)將在步驟(1)中經(jīng)細(xì)化與混合均勻的粉末在常壓空氣氣氛下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)6～14h，燒結(jié)溫度為1000～1400℃；(3)將燒結(jié)后的粉末經(jīng)研磨處理后，進(jìn)行壓制成型，得到料胚，成型壓力為8～10MPa，保持壓力時(shí)間2～4min；(4)將壓制成型得到的料胚在常壓空氣氣氛下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)6～14h，燒結(jié)溫度為1000～1400℃，制得InGaZn4O7靶材；B.InGaZn4O7薄膜的生長(5)將作為襯底的InGaZn4O7靶材表面清洗后放入脈沖激光沉積系統(tǒng)的真空腔內(nèi)；(6)對(duì)真空室抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到10-3Pa以上時(shí)，同時(shí)向真空室通入氧氣，使氧分壓保持在一定壓強(qiáng)下；(7)以紫外脈沖激光器為光源進(jìn)行脈沖激光沉積；沉積時(shí)，靶材和基片進(jìn)行自轉(zhuǎn)，靶基距30～50mm；同時(shí)調(diào)整紫外脈沖激光器輸出功率大小，使得核狀羽輝末端恰好接觸到基片，在一定襯底溫度下生長InGaZn4O7薄膜，沉積時(shí)間為10～120min。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種透明氧化物半導(dǎo)體InGaZn407薄膜的制備方法，其特征 是在步驟(6)中所述的氧分壓為1. 0 20. OPa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種透明氧化物半導(dǎo)體InGaZn407薄膜的制備方法，其特征 是在步驟(7)中所述的襯底溫度為室溫 900°C。
全文摘要
一種透明氧化物半導(dǎo)體InGaZn4O7薄膜的制備方法，屬于薄膜材料制備領(lǐng)域。該制備方法的主要步驟為采用常壓固相反應(yīng)燒結(jié)法制備InGaZn4O7陶瓷靶材，然后利用脈沖激光沉積方法在不同工藝參數(shù)條件下沉積InGaZn4O7薄膜。先將清洗后襯底和InGaZn4O7陶瓷靶置入真空反應(yīng)室中，反應(yīng)室真空度抽到一定壓強(qiáng)后，通入一定量的氧氣，使真空室的氧分壓保持在1～20.0Pa，采用紫外脈沖激光器為光源，轟擊制備完成的InGaZn4O7陶瓷靶，調(diào)整激光輸出功率，靶基距30～50mm，沉積時(shí)間為10～120min，基片溫度為室溫(RT)～900℃。本發(fā)明所制備的薄膜具有平整度好、可見光透射率高與電學(xué)性能優(yōu)異的特性，而且制作工藝簡化，成本低，有利于促進(jìn)高質(zhì)量InGaZnO柔性薄膜顯示器件的大規(guī)模應(yīng)用。
文檔編號(hào)C23C14/28GK101876059SQ200910241599
公開日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2009年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月27日
發(fā)明者萬曉婧, 張新平, 王麗, 蘇雪瓊, 陳江博 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)