本發(fā)明涉及一種非晶氧化物半導體薄膜，尤其涉及一種p型非晶氧化物半導體薄膜及其制備方法。

背景技術：

薄膜晶體管（TFT）是微電子特別是顯示工程領域的核心技術之一。目前，TFT主要是基于非晶硅（a-Si）技術，但是a-Si TFT是不透光的，光敏性強，需要加掩膜層，顯示屏的像素開口率低，限制了顯示性能，而且a-Si遷移率較低（~2 cm²/Vs），不能滿足一些應用需求。基于多晶硅（p-Si）技術的TFT雖然遷移率高，但是器件均勻性較差，而且制作成本高，這限制了它的應用。此外，有機半導體薄膜晶體管（OTFT）也有較多的研究，但是OTFT的穩(wěn)定性不高，遷移率也比較低（~1 cm²/Vs），這對其實際應用是一個較大制約。

為解決上述問題，人們近年來開始致力于非晶氧化物半導體（AOS）TFT的研究，其中最具代表性的是InGaZnO。與Si基TFT不同，AOS TFT具有如下優(yōu)點：可見光透明，光敏退化性小，不用加掩膜層，提高了開口率，可解決開口率低對高分辨率、超精細顯示屏的限制；易于室溫沉積，適用于有機柔性基板；遷移率較高，可實現(xiàn)高的開/關電流比，較快的器件響應速度，應用于高驅動電流和高速器件；特性不均較小，電流的時間變化也較小，可抑制面板的顯示不均現(xiàn)象，適于大面積化用途。

由于金屬氧化物特殊的電子結構，氧原子的2p能級一般都遠低于金屬原子的價帶電子能級，不利于軌道雜化，因而O 2p軌道所形成的價帶頂很深，局域化作用很強，因而空穴被嚴重束縛，表現(xiàn)為深受主能級，故此，絕大多數(shù)的氧化物本征均為n型導電，具有p型導電特性的氧化物屈指可數(shù)。目前報道的p型導電氧化物半導體主要為SnO、NiO、Cu₂O、CuAlO₂等為數(shù)不多的幾種，但這些氧化物均為晶態(tài)結構，不是非晶形態(tài)。目前人們正在研究的AOS如InGaZnO等均為n型半導體，具有p型導電的非晶態(tài)氧化物半導體幾乎沒有。因而，目前報道的AOS TFT均為n型溝道，缺少p型溝道的AOS TFT，這對AOS TFT在新一代顯示、透明電子學等諸多領域的應用產(chǎn)生了很大的制約。因而，設計和尋找并制備出p型導電的非晶氧化物半導體薄膜是人們亟需解決的一個難題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對實際應用需求，擬提供一種p型非晶氧化物半導體薄膜及其制備方法。

本發(fā)明提供了一種p型LaMSnO非晶氧化物半導體薄膜，其中M為Nb、Sr、Cu、Fe中的一種，且在LaMSnO中為完全氧化化學價態(tài)。在p型LaMSnO體系中：La為+3價，M為完全氧化化學價態(tài)，如Nb為+5價、Sr為+2價、Cu為+2價、Fe為+3價，La與M共同與O結合形成材料的p型導電基體；Sn為+4價，具有球形電子軌道，在非晶狀態(tài)下電子云高度重合，因而起到空穴傳輸通道的作用。

本發(fā)明所提供的p型LaMSnO非晶氧化物半導體薄膜，其特征在于：在LaMSnO中，La為+3價，M元素為Nb、Sr、Cu、Fe中的一種，為完全氧化化學價態(tài)，Sn為+4價；LaMSnO薄膜為非晶態(tài)，具有p型導電特性。

本發(fā)明所述的一種p型LaMSnO非晶氧化物半導體薄膜，進一步地，當M為Nb時，此時LaMSnO即為LaNbSnO，如各實施例，p型LaNbSnO薄膜化學式為LaNbSn_xO_4+2x，其中0.1≦x≦0.4。

本發(fā)明還提供了制備上述p型LaNbSnO非晶氧化物半導體薄膜的制備方法，具體步驟如下：

（1）以高純La₂O₃、Nb₂O₅和SnO₂粉末為原材料，混合，研磨，在1100℃的O₂氣氛下燒結，制成LaNbSnO陶瓷片為靶材，其中La、Nb、Sn三組分的原子比為1:1:(0.1~0.4)；

（2）采用射頻磁控濺射方法，將襯底和靶材安裝在濺射反應室中，抽真空至真空度不高于1×10^-3Pa；

（3）通入Ar-O₂為工作氣體，氣體壓強9~12Pa，Ar-O₂流量體積比為10:5~10:7，濺射功率140~150W，襯底溫度為200~500℃，在Ar-O₂離子的轟擊下，靶材表面原子和分子濺射出來，在襯底上沉積形成一層薄膜，在100~200Pa的O₂氣氛下自然冷卻到室溫，得到p型LaNbSnO非晶薄膜。

采用上述方法生長的p型LaNbSnO非晶氧化物半導體薄膜，其性能指標為：LaNbSnO非晶薄膜具有p型導電特性，空穴濃度10¹³~10¹⁴cm^-3，可見光透過率≧80%。

上述材料參數(shù)和工藝參數(shù)為發(fā)明人經(jīng)多次實驗確立的，需要嚴格控制，在發(fā)明人的實驗中若超出上述參數(shù)的范圍，則無法實現(xiàn)設計的p型LaNbSnO材料，也無法獲得具有p型導電且為非晶態(tài)的LaNbSnO薄膜。

在p型LaMSnO體系中，La為+3價，M元素為Nb、Sr、Cu、Fe中的一種，為完全氧化化學價態(tài)，La與M共同與O結合形成材料的p型導電基體，Sn起到空穴傳輸通道的作用。除M為Nb外，當M為上述所述的其它元素時，也具有同樣的機理，具有類似的性質，除LaNbSnO之外的其它的p型LaMSnO非晶氧化物半導體薄膜也能用上述類似的方法與步驟進行制備，所得的材料和器件具有類似的性能。

本發(fā)明的有益效果在于：

1）本發(fā)明所述的p型LaMSnO非晶氧化物半導體薄膜，其中La與M共同與O結合形成材料的p型導電基體，Sn起到空穴傳輸通道的作用，基于上述原理，LaMSnO是一種較好的p型AOS材料。

2）本發(fā)明所述的p型LaMSnO非晶氧化物半導體薄膜，具有良好的材料特性，其p型導電性能可通過組分比例實現(xiàn)調控。

3）本發(fā)明所述的p型LaMSnO非晶氧化物半導體薄膜，可以作為溝道層制備的p型AOS TFT，從而為p型AOS TFT的應用提供關鍵材料。

4）本發(fā)明所述的p型LaMSnO非晶氧化物半導體薄膜，與已存在的n型InGaZnO非晶氧化物半導體薄膜組合，可形成一個完整的AOS的p-n體系，且p型LaMSnO與n型InGaZnO均為透明半導體材料，因而可制作透明光電器件和透明邏輯電路，開拓AOS在透明電子產(chǎn)品中應用，促進透明電子學的發(fā)展。

5）本發(fā)明所述的p型LaMSnO非晶氧化物半導體薄膜，在生長過程中存在較寬的參數(shù)窗口，可實現(xiàn)大面積沉積，能耗低，制備工藝簡單、成本低，可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

具體實施例

以下結合具體實施例進一步說明本發(fā)明。

實施例1

（1）以高純La₂O₃、Nb₂O₅和SnO₂粉末為原材料，混合，研磨，在1100℃的O₂氣氛下燒結，制成LaNbSnO陶瓷片為靶材，其中La、Nb、Sn三組分的原子比為1:1:0.1；

（2）采用射頻磁控濺射方法，將襯底和靶材安裝在濺射反應室中，抽真空至真空度為1×10^-3Pa；

（3）通入Ar-O₂為工作氣體，氣體壓強9Pa，Ar-O₂流量體積比為10:5，濺射功率140W，襯底溫度為500℃，在Ar-O₂離子的轟擊下，靶材表面原子和分子濺射出來，在襯底上沉積形成一層薄膜，在100Pa的O₂氣氛下自然冷卻到室溫，得到p型LaNbSn_0.1O_4.2非晶薄膜。

以石英為襯底，按照上述生長步驟制得p型LaNbSn_0.1O_4.2薄膜，對其進行結構、電學和光學性能測試，測試結果為：薄膜為非晶態(tài)，厚度102nm；具有p型導電特性，空穴濃度10¹⁴cm^-3；可見光透過率84%。

實施例2

（1）以高純La₂O₃、Nb₂O₅和SnO₂粉末為原材料，混合，研磨，在1100℃的O₂氣氛下燒結，制成LaNbSnO陶瓷片為靶材，其中La、Nb、Sn三組分的原子比為1:1:0.25；

（2）采用射頻磁控濺射方法，將襯底和靶材安裝在濺射反應室中，抽真空至真空度為1×10^-3Pa；

（3）通入Ar-O₂為工作氣體，氣體壓強10Pa，Ar-O₂流量體積比為10:6，濺射功率150W，襯底溫度為350℃，在Ar-O₂離子的轟擊下，靶材表面原子和分子濺射出來，在襯底上沉積形成一層薄膜，在150Pa的O₂氣氛下自然冷卻到室溫，得到p型LaNbSn_0.25O_4.5非晶薄膜。

以石英為襯底，按照上述生長步驟制得p型LaNbSn_0.25O_4.5薄膜，對其進行結構、電學和光學性能測試，測試結果為：薄膜為非晶態(tài)，厚度95nm；具有p型導電特性，空穴濃度10¹⁴cm^-3；可見光透過率80%。

實施例3

（1）以高純La₂O₃、Nb₂O₅和SnO₂粉末為原材料，混合，研磨，在1100℃的O₂氣氛下燒結，制成LaNbSnO陶瓷片為靶材，其中La、Nb、Sn三組分的原子比為1:1:0.4；

（2）采用射頻磁控濺射方法，將襯底和靶材安裝在濺射反應室中，抽真空至真空度為1×10^-3Pa；

（3）通入Ar-O₂為工作氣體，氣體壓強12Pa，Ar-O₂流量體積比為10:7，濺射功率150W，襯底溫度為200℃，在Ar-O₂離子的轟擊下，靶材表面原子和分子濺射出來，在襯底上沉積形成一層薄膜，在200Pa的O₂氣氛下自然冷卻到室溫，得到p型LaNbSn_0.4O_4.8非晶薄膜。

以石英為襯底，按照上述生長步驟制得p型LaNbSn_0.4O_4.8薄膜，對其進行結構、電學和光學性能測試，測試結果為：薄膜為非晶態(tài)，厚度79nm；具有p型導電特性，空穴濃度10¹³cm^-3；可見光透過率81%。

上述各實施例中，使用的原料La₂O₃粉末、Nb₂O₅粉末和SnO₂粉末的純度均在99.99%以上。

本發(fā)明p型LaNbSnO非晶氧化物半導體薄膜制備所使用的襯底，并不局限于實施例中的石英片，其它各種類型的襯底均可使用。

在p型LaMSnO體系中，M元素為Nb、Sr、Cu、Fe中的一種。除M為Nb外，當M為上述所述的其它元素時，也具有同樣的機理，具有類似的性質，除LaNbSnO之外的其它的p型LaMSnO非晶氧化物半導體薄膜也能用上述類似的方法與步驟進行制備，所得的材料和器件具有類似的性能。