專利名稱：一種非晶氧化物薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非晶氧化物薄膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前，絕大多數(shù)的平板顯示器件都是有源矩陣顯示器件。在有源矩陣顯示器件中引入薄膜晶體管(TFT)開關(guān)元件和存貯電容，可大大提高顯示器件性能，實現(xiàn)大容量、高清晰度和全彩色的視頻顯示，這使得TFT成為現(xiàn)今平板顯示的主導(dǎo)技術(shù)。目前，在有源矩陣顯示器件中使用的主要是非晶硅(α -Si) TFTJfi α -Si-TFT遷移率低(<lCm2/VS)，無法驅(qū)動大尺寸高清顯示器，這也是發(fā)展未來3D顯示最大障礙。同時非晶硅TFT在可見光區(qū)域是不透明的，像素開口率不能達到100%，為了獲得足夠的亮度，需要增加光源光強，從而增加功率消耗；另外Si在可見光范圍內(nèi)光敏性強，需要加掩膜層(黑矩陣)，這些都將增加TFT顯示器的工藝復(fù)雜性，提高成本，降低可靠性。針對非晶硅TFT遷移率低和不透明的問題，一種有效的解決辦法是采用高遷移率的寬禁帶氧化物半導(dǎo)體材料替代非晶硅作為溝道層。ZnO是少有的幾種氧化物中能夠在較低溫度甚至室溫下生長得到結(jié)晶質(zhì)量好、遷移率高的薄膜。同時ZnO也是一種寬禁帶半導(dǎo)體(室溫下禁帶寬度為3. 37eV)，在可見光范圍內(nèi)具有較高的透過率，因而不存在非晶硅光敏感性的問題，所以近年來基于ZnO材料的薄膜晶體管得到廣泛的研究，但由于ZnO溝道層為多晶薄膜，很難滿足平板顯示大面積均勻性的要求。基于上述原因，人們開發(fā)了以 InGaZnO為代表的透明非晶氧化物，相對于多晶ZnO TFT, InGaZnO為溝道層應(yīng)用于薄膜晶體管中可解決均勻性的問題；相對于非晶硅TFT，InGaZnO具有高遷移率、可見光透明、具有低溫制程等優(yōu)點。非晶氧化物將成為下一代平板顯示的關(guān)鍵材料，也是柔性顯示和全透明顯示的關(guān)鍵材料。但是InGaZnO也存在不足，比如In和Ga都是貴重金屬，器件成本高，同時InGaZnO溝道層與源漏電極不易形成好的歐姆接觸，影響器件的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可作為薄膜晶體管的溝道層或作為透明電極的非晶氧化物薄膜及其制備方法。本發(fā)明的非晶氧化物薄膜，其化學式為InxAlyZn02+1.5x+1.5y，I ^x ^ 2,0<χ<2, 薄膜電阻率在10_，106Qcm，遷移率大于10cm2/Vs，可見光平均透過率大于85%，表面粗糙度小于Inm0本發(fā)明的非晶氧化物薄膜可采用磁控濺射或脈沖激光沉積方法制備，步驟如下
1)將純In2O3、純 Al2O3 和純 ZnO 按原子比 In:Al :Zn=x:y: 1，1 ^ χ ^ 2,0 <χ <2 的比例燒結(jié)，制成陶瓷靶材；
2)采用磁控濺射方法，以陶瓷靶作為靶材，在襯底上沉積一層非晶氧化物薄膜，濺射條件為靴材與襯底之間的距離為5 10 cm，生長室真空度至少抽至IX 10_3 Pa，濺射功率為 5CT300W，工作氣體為Ar和O2的混合氣體，氧分壓為0飛％，總壓強為0. 6 1. 2Pa ；生長溫度為室溫至400°C ；
或者采用脈沖激光沉積方法，以陶瓷靶作為靶材，在襯底上沉積一層非晶氧化物薄膜， 沉積條件為靶材與襯底之間的距離為4 6 cm,生長室真空度抽至1 X 10_3 Pa,生長室通入(TlOO SCCM的02，控制總壓強為0. 00廣10 Pa,襯底溫度為室溫至400°C，調(diào)節(jié)激光能量為 50 300 mj。上述的襯底可以是藍寶石、石英、玻璃、苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酩(PC)或聚酰亞胺(PI)。上述純In2O3、純Al2O3和純ZnO的純度均在99. 99%以上。本發(fā)明的非晶氧化物薄膜的厚度由生長或沉積時間決定，根據(jù)Al含量的不同可用作薄膜晶體管的溝道層或作為透明電極。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果為
l)InxAlyZn02+L5x+L5y (12,0<y< 2)是一種透明非晶氧化物半導(dǎo)體材料，易于
大面積制備，均勻性好，薄膜表面粗糙度低，與工業(yè)普遍使用的大面積磁控濺射設(shè)備兼容， 適合大規(guī)模生產(chǎn)。2) InxAlyZn02+L5x+L5y非晶薄膜制備溫度低，可在較低溫度甚至室溫沉積，所以可使用玻璃襯底和高分子柔性襯底；同時該非晶薄膜在500°C下仍能很好保持非晶狀態(tài)，因而器件后續(xù)處理溫度范圍較寬。3)非晶InxAlyZn02+1.5x+1.5j^膜作溝道層的TFT相對非晶硅TFT具有更優(yōu)異的性能。 首先，由于非晶InxAlyZn02+1.5!￡+1,中In具有較大半徑球型對稱的5S2電子軌道，相鄰In原子 5S2電子軌道重疊便形成電子傳輸?shù)耐ǖ溃蚨蔷nxAlyZn02+1.5x+1.5y薄膜作溝道層的TFT 具有較大場效應(yīng)遷移率；其次，InxAlyZn02+1.5x+1.5y為離子鍵半導(dǎo)體，相對共價鍵半導(dǎo)體的非晶硅具有更低的缺陷態(tài)密度，因而與非晶硅TFT相比具有更小的亞閾值擺幅和工作電壓。4)非晶InxAlyZn02+1.5x+1.5y薄膜作溝道層TFT均勻性好，與ZnO-TFT相比，產(chǎn)品良品率高，穩(wěn)定性好。5)非晶InxAlyZn02+1.5x+1.5y薄膜中，In、Al和Zn元素分別起提高遷移率、控制載流子濃度和增強非晶態(tài)穩(wěn)定性的作用。與目前已發(fā)明的InGaZnO-TFT相比，Al具有與Ga相同的效果，同時還可以降低TFT關(guān)態(tài)電流。本發(fā)明中Al相對于Ga更為廉價和環(huán)保，產(chǎn)品成本低，易于廣泛推廣和使用。6)非晶InxAlyZn02+1.5x+1.5y薄膜作溝道層TFT具有場效應(yīng)遷移率高、亞閾值擺幅和工作電壓小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，適合應(yīng)用于大面積高清有源矩陣液晶顯示(AMIXD)和有源矩陣有機發(fā)光二極管顯示(AMOLED)領(lǐng)域。7)非晶InxAlyZn02+1.5x+1.5J^膜作電極，具有較低的表面粗糙度，同時兼有較高的可見光透過率和良好的電學性能，更適用于光電器件的電極。


圖1用作電極的非晶InxAlyZn02+1.5x+1.5y紫外可見光紅外透射譜。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步的說明實施例1
1)以純度均為99. 99%的In2O3^Al2O3和ZnO粉末為源材料，按原子比In:Al :Zn=2:1 1 稱量，將稱量好的粉末倒入裝有瑪瑙球和乙醇的球磨罐中，在球磨機上球磨48個小時，使粉末細化并且均勻混合。然后將原料分離出來烘干，添加粘結(jié)劑研磨，壓制成型。把成型的胚體放入燒結(jié)爐中，在1300°C燒結(jié)3個小時，得到In2AlZnO6.5的陶瓷靶。2)將玻璃襯底經(jīng)過清洗后固定在樣品托盤上，放入反應(yīng)真空室。將Ιη2Α1Ζη06.5陶瓷靶裝在磁控濺射靶頭上。調(diào)節(jié)襯底和靶材的距離為7cm。生長室真空度抽至1 ΧΙΟ—3 Pa, 生長室通入Ar和O2的混合氣體，氧分壓為1%，總壓強為1 Pa在室溫下沉積，沉積時間為 lOmin，薄膜厚度50nm。In2AlZnO6.5薄膜具有很高的表面平整度，表面粗糙度小于lnm。電阻率為IO5 Ω cm, 可見光平均透過率90%。采用Ιη2Α1Ζη06.5薄膜作為薄膜晶體管的溝道層，薄膜晶體管的場效應(yīng)遷移率為2 cm2/Vs，閾值電壓為10V，開關(guān)電流比大于107。實施例2
1)以純度均為99. 99%的In2O3^Al2O3和ZnO粉末為源材料，按原子比In Al Zn=I 0. 1 1 稱量。將稱量好的粉末倒入裝有瑪瑙球和乙醇的球磨罐中，在球磨機上球磨48個小時，使粉末細化并且均勻混合。然后將原料分離出來烘干，添加粘結(jié)劑研磨，壓制成型。把成型的胚體放入燒結(jié)爐中，在1300°C燒結(jié)3個小時，得到InAltl.ZnC^55的陶瓷靶。2)將玻璃襯底經(jīng)過清洗后固定在樣品托盤上，放入反應(yīng)真空室。將InAltl.^nOi55 陶瓷靶裝在脈沖激光沉積靶頭上。調(diào)節(jié)襯底和靶材的距離為5. 5cm。生長室真空度抽至 1 X 10_3 Pa,生長室通入2. 2 SCCM的O2，控制總壓強為0. OlPa,襯底溫度升至350°C，調(diào)節(jié)激 光能量為300 mj，沉積時間為30 min，薄膜厚度150nm。InAla ^nO2.55薄膜具有很高的表面平整度，表面粗糙度小于lnm。同時也具有優(yōu)異的電學性能和光學性能，電阻率為8 X 10_4 Ω cm，載流子濃度達3X102° cm_3，霍爾遷移率為 19 cm2/Vs。在可見光范圍內(nèi)平均透過率大于86%，見圖1。
權(quán)利要求
1. 一種非晶氧化物薄膜，其特征在于化學式為InxAlyZnCW5x+1.5y，1含ζ含2，O <7 < 2， 薄膜電阻率在10_，106 Ω cm，可見光平均透過率大于85%，表面粗糙度小于1 nm。
2.權(quán)利要求1所述的非晶氧化物薄膜的制備方法，其特征在于步驟如下1)將純In2O3、純 Al2O3 和純 ZnO 按原子比 In:Al :Zn=x:y: 1，1 ^ χ ^ 2,0 <χ <2 的比例燒結(jié)，制成陶瓷靶材；2)采用磁控濺射方法，以陶瓷靶作為靶材，在襯底上沉積一層非晶氧化物薄膜，濺射條件為靶材與襯底之間的距離為5 10 cm，生長室真空度至少抽至IX 10_3 Pa，濺射功率為5CT300W，工作氣體為Ar和O2的混合氣體，氧分壓為0 5%，總壓強為0. 6 1. 2Pa ；生長溫度為室溫至400°C ；或者采用脈沖激光沉積方法，以陶瓷靶作為靶材，在襯底上沉積一層非晶氧化物薄膜， 沉積條件為靶材與襯底之間的距離為4 6 cm,生長室真空度抽至1 X 10_3 Pa,生長室通入(Γ100 SCCM的02，控制總壓強為0. 00廣10 Pa,襯底溫度為室溫至400°C，調(diào)節(jié)激光能量為 50 300 mj。
3.按權(quán)利要求2所述的一種非晶氧化物薄膜的制備方法，其特征在襯底為藍寶石、石英、玻璃、苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酩或聚酰亞胺。
全文摘要
本發(fā)明公開的非晶氧化物薄膜，其化學式為InxAlyZnO2+1.5x+1.5y，1≦x≦2，0＜y＜2，薄膜電阻率在10-4~106Ωcm，可見光平均透過率大于85%，表面粗糙度小于1nm。采用磁控濺射或脈沖激光沉積方法制備。薄膜中In、Al和Zn元素分別起提高遷移率，控制載流子濃度和增強非晶態(tài)穩(wěn)定性的作用。該非晶氧化物薄膜適用于作薄膜晶體管的溝道層或作為透明電極。
文檔編號C23C14/34GK102226265SQ201110163539
公開日2011年10月26日 申請日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月17日
發(fā)明者葉志鎮(zhèn), 呂建國, 吳萍, 張 杰, 李喜峰, 趙炳輝 申請人:浙江大學