专利名称：一种InGaZnO透明导电薄膜的L-MBE制备方法
技术领域：
本发明属于半导体透明导电薄膜生长及全透明柔性显示等领域，涉及-一种半导 体透明导电薄膜的最新制备方法，特别涉及一种采用InGaZnO陶瓷靶材(In : Ga : Zn原
子比为丄丄丄)，利用等离子辅助:l-m:be设备制备非晶态ingazno透明导电薄膜的
最新技术。
背景技术：
随着半导体材料和显示技术的进步，人们对于显示技术提出更高的要求，比
如响应速度更快、亮度更高、能耗更小、成本更低、全透明以及柔性显示等。薄膜晶
体管驱动液晶显示技术(tft-lcd),是-一种重要的显示技术，被广泛应用于笔记本电 脑、液晶电视和手机中。传统的非晶硅或有机材料TFT由f迁移率较低(一般不超过 2cirfv-V1)，而日.器件和电极不透明，受可见光影响较大，无法满足以上要求。近年来， 以111203、 Sn02和ZnO等透明氧化物半导体材料，如ITO、 ZnO:Al、 ZnO:Ga和ZnO:In 等，作为电极或者沟道S的透明TFT逐渐成为研究的热点。 2004年日木东京理工学院的研究人员通过在ZnO巾掺杂高浓度的1%03和GaO， 在塑料基底上制备出非晶态的INGAZNO透明导电薄膜，其迁移率超过-10cmVV:|，用它 制作的晶体管可比目前的塑料晶体管高出1-3个数量级。这种半导体材料可完全ltj在许多 种柔性、轻型、耐冲击电子装置中，包括柔性显示器、电子纸和经久耐用的计算机。这 种非晶态InGaZnO化合物，其原了是随机排列的，更便f用f电了装置，但是制作方法 不同于结晶半导休和多晶半导休。自此，非晶态INGAZNO透明导电薄膜和以其为沟道 层的TFT的研究成为人们关注的焦点。 基T以上INGAZNO透明导电薄膜的巨大应用前景，我们发明'/-'种采用 InGaZnO陶瓷靶材(In : Ga : Zn原子比为l. : 1. : 1)，利用等离子辅助L-MBE设备， 在高真空条件下在石英玻璃衬底上外延生长非晶态INGAZNO透明导电薄膜的新工艺， 在300W射频功率得到光学和电学性能优良的非晶态INGAZNO透明导电薄膜。在现有 技术中，没W利用等离子辅助L-MBE设备制造INGAZNO透明导电薄膜的技术方案，我 们通过等离了辅助L-MBE设备制造INGAZNO透明导电薄膜取得了意想不到的效果，成 功制各出性能优异的非晶态I:NGAZNO透明导电薄膜。
发明内容
木发明的目的在于，提供一种InGaZnO透明导电薄膜的L-MBE制备方法，包括 如下步骤 (1.)将纯度> 99.999%的111203、 GaO和ZnO按In : Ga : Zn原子比为l :1:1 混合，并在1000-1200。C烧结而成InGaZnO陶瓷靶材； (2)将清洗吹'I\后的衬底置f等离了辅助L-MBE设备中，然后先以每分钟8-12°C
的速率将衬底从室温加热到ioo-700°c，再向等离子辅助:L-M::BE设备中通入离化氧气体，气体流量10-40sccm、真空度为1X10-3-2X10-3Pa、射频功率200-400W、处理30-60 分钟，去除衬底表面吸附的杂质和水分后将衬底降温至2()()i:; (3)将ItiGaZnO陶瓷靶材置于经歩骤(2)处理过的衬底上面，采用KrF准分子激 光器蒸熔InGaZnO陶瓷靶材，重复频率3-7Hz，能量为80-12()mj，等离子辅助L-MBE设 备本底真空度为1X10-6-2X10,a，生长I:nGaZnO薄膜吋衬底温度为100-300。C，气氛为 离化氧气氛、离化氧分压为1 X 10-3-2X 10-3Pa，射频离化功率100W-4()()W， InGaZnO薄膜 生长时间为2-3小时。 所述歩骤(2)屮当衬底是石英玻璃或不锈钢时，将清洗吹千后的衬底置于等离 子辅助L-MBE设备中，然后先以每分钟8-12°C的速率将衬底从室温加热到500-700°C ， 再向等离了'辅助L-MBE设备中通入离化氧气体，气体流量l(M()sccm、真空度为 丄X丄0-3-2XiO-3Pa、射频功率200-400W、处理30-60分钟，去除衬底表面吸附的杂质和水 分后将衬底降温至2()()°C。 所述步骤(2)中当衬底是:PET柔性衬底吋，将清洗吹干后的衬底置T等离子 辅助L-MBE设备中，然后先以每分钟8-1.2°C的速率将衬底从室温加热到1.00-200°C， 再向等离子辅助L-MBE设备中通入离化氧气体，气体流量10-40sccm、真空度为 IX 10-3—2X 10-3Pa、射频功率200-4-00W、处理30-60分钟，去除衬底表面吸附的杂质和水 分后将衬底降温至200°C。 所述步骤(3)中将InGaZnO陶瓷靶材置f经步骤(2)处理过的衬底上面，采用KrF 准分子激光器蒸熔InGaZnO陶瓷靶材，重复频率3Hz、 4Hz、 5Hz、 6Hz或7Hz，能量为 8()mJ、 9()mJ、 H)()mJ、 11 ()mJ或12()mJ，等离子辅助L-MBE设备本底真空度为1 X l()*Pa 或2X10-6:Pa,生长I:nGaZnO薄膜时衬底温度为IOO"C、 200。C或300。C，气氛为离化氧1 氛、离化氧分压为1X1.0-3pa或2X10-3Pa，射频离化功率l()()W、 2(聽、300W或4()0W， InGaZnO薄膜生长时间为2小时或3小时。 所述InGaZnO薄膜厚度约为500-700nm，用台阶仪测量所得。
该工艺的特点是(1)采用InGaZnO陶瓷耙材(In : Ga : Zn原子比为 1:1: 1); (2)生K设备为等离了体辅助激光分了束外延系统，本底真空度为10—°Pa ; (3) 衬底为石英玻璃、不锈钢或:PET柔性衬底；(4)牛长气氛为离化氧气氛，气压iXi0-3Pa; (5)生长时基底温度2()()°C,射频功率为1 ()()-4()()W可变。该方法利用等离子辅助L-MBE 设备，在高真空条件下在石英玻璃衬底上外延生长非晶态INGAZNO透明导电薄膜，在 100-4()0W射频功率得到光学和电学性能优良的非晶态INGAZNO透明导电薄膜。
图1是本发明的等离子体辅助激光分子束外延系统结构图。
图2是本发明的非晶态INGAZNO薄膜x射线衍射2 9扫描曲线。
图3是本发明的非晶态INGAZNO薄膜电学特性与射频功率的关系曲线。
图4为本发明的非晶态INGAZNO薄膜室温透射谱。
图5为本发明的非晶态INGAZNO薄膜室温光致发光光谱。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。-—种InGaZnO透明导电薄膜的L-MBE制各方法，包括如下歩骤(1)将纯度> 99.999%的111203、 GaO和ZnO按In : Ga : Zn原子比为l :1:1
混合，并在1000-1200"C烧结而成InGaZnO陶瓷靶材； (2)将清洗吹千后的衬底置于等离子辅助L-MBE设备巾，然后先以每分钟8-12°C 的速率将衬底从室温加热到100-700°C，再向等离子辅助L-MBE设备中通入离化氧气 体，气体流欤10—40sccm、真空度为1X10-3-2Xl.()-3Pa、射频功率200-400W、处理30-60 分钟，去除讨底表面吸附的杂质和水分后将衬底降温至20(TC ; (3)将InGaZnO陶瓷靶材置f经步骤(2)处理过的衬底上面，采用KrF准分了-激 光器蒸熔InGaZnO陶瓷靶材，重复频率3-7Hz，能量为80-i20mj，等离子辅助:L-MBE设 备本底真空度为l X 1 (r6-2 X 1 ()-6Pa，生长InGaZnO薄膜时衬底温度为1 ()()-: )()°C ，气氛为 离化氧气氛、离化氧分压为1 X 10-3-2 X 10-3Pa，射频离化功率100W-400W， InGaZnO薄膜 生长时间为2-3小时。 所述步骤(2)中当衬底是石英玻璃或不锈钢时，将清洗吹干后的衬底置于等离 子辅助L-MBE设备屮，然后先以每分钟8-12。C的速率将衬底从室温加热到500-700°C， 再向等离子辅助L-MBE设备中通入离化氧气体，气体流量10-40sccm、真空度为 1X10-3—2X10-3Pa、射频功率200-400W、处理30-60分钟，去除衬底表面吸附的杂质和水 分后将衬底降温至200"C。 所述步骤(2)中当衬底是PET柔性衬底时，将清洗吹千后的衬底置于等离子 辅助L-MBE设备中，然后先以每分钟8-12。C的速率将衬底从室温加热到100-200°C， 再向等离子辅助L-MBE设备巾通入离化氧气体，气体流量10-40sccm、真空度为 1X10-3-2X10-3:Pa、射频功率200-400W、处理30-60分钟，去除衬底表面吸附的杂质和水
分后将衬底降温至2()(rc。 所述歩骤(3)中将InGaZnO陶瓷靶材置于经歩骤(2)处理过的衬底上面，采用KrF 准分了激光器蒸熔InGaZnO陶瓷靶材，重复频率3Hz、 4Hz、 5Hz、 6Hz或7Hz，能量为 80mJ、 90mJ、丄00mJ、 ii0mJ或i20mJ，等离子辅助L-M:BE设备本底真空度为i X i0—6:Pa 或2X 1 ()-6Pa,生长InGaZnO薄膜时衬底温度为1 ()()'C 、 2()()。C或:似)。C ，气氛为离化氧气 氛、离化氧分压为1X10-3pa或2X10-3Pa,射频离化功率IOOW、 200W、 300W或400W， InGaZnO薄膜生长时间为2小时或3小时。
原生INGAZNO薄膜的光学性能如图4和图5所示。 从图4所示原生lNGAZNO薄膜的iSai射谱可以看出，随,频功彰曾加，样品的透明 性增加，射频功率300WWff得到的INGAZNO薄膜透吸性m，可见光范围内3S1^S过80%。
从图5所不原生INGAZNO薄膜的室温PL谱可以看出，随着射频功率增加，原
牛INGAZNO薄膜的发光性能也逐渐增强。 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认 定本发明的具体实施方式
仅限T此，对T本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在 不脱离木发明构思的前提下，还可以做出若千简申.的推演或替换，都应当视为属于木发 明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
权利要求
一种InGaZnO透明导电薄膜的L-MBE制备方法，其特征在于，包括如下步骤(1)将纯度＞99.999％的In2O3、GaO和ZnO按In∶Ga∶Zn原子比为1∶1∶1混合，并在1000-1200℃烧结而成InGaZnO陶瓷靶材；(2)将清洗吹干后的衬底置于等离子辅助L-MBE设备中，然后先以每分钟8-12℃的速率将衬底从室温加热到100-700℃，再向等离子辅助L-MBE设备中通入离化氧气体，气体流量10-40sccm、真空度为1×10-3-2×10-3Pa、射频功率200-400W、处理30-60分钟，去除衬底表面吸附的杂质和水分后将衬底降温至200℃；(3)将InGaZnO陶瓷靶材置于经步骤(2)处理过的衬底上面，采用KrF准分子激光器蒸熔InGaZnO陶瓷靶材，重复频率3-7Hz，能量为80-120mJ，等离子辅助L-MBE设备本底真空度为1×10-6-2×10-6Pa，生长InGaZnO薄膜时衬底温度为100-300℃，气氛为离化氧气氛、离化氧分压为1×10-3-2×10-3Pa，射频离化功率100W-400W，InGaZnO薄膜生长时间为2-3小时。
2. 如权利要求1所述一种InGaZnO透明导电薄膜的L-MBE制备方法，其特征在 于所述歩骤(2)中当衬底是石英玻璃或不锈钢时，将清洗吹干后的衬底置于等离子 辅助L-MBE设备中，然后先以每分钟8-12°C的速率将衬底从室温加热到500-70(rC， 再向等离子辅助L-M:BE设备中通入离化氧气休，气休流量10-40sccm、真空度为 1 X 10-3-2X 10-3Pa、射频功率2()()-4()()W、处理30-6()分钟，去除衬底表面吸附的杂质和水 分后将衬底降温至200"C。
3. 如权利要求1所述一种InGaZnO透明导电薄膜的L-MBE制备方法，其特征在于 所述步骤(2)中当衬底是:PET柔性衬底时，将清洗吹干后的衬底置于等离子辅助L-MBE设备屮，然后先以每分钟8-1.2。c的速率将衬底从室温加热到loo-2()(rc，再向等离子辅助L-MBE设备中通入离化氧气体，气体流量10-40sccm、真空度为1 X 10-3-2X 10-3Pa、 射频功率200-4()0W、处理30-60分钟，去除衬底表面吸附的杂质和水分后将衬底降温至 2Q(TC。
4. 如权利要求1所述 一 种InGaZnO透明导电薄膜的L-MBE制备方法，其特征在 T:所述步骤(3)中将InGaZnO陶瓷靶材置T经步骤(2)处理过的衬底上面，采用KrF 准分子激光器蒸熔InGaZnO陶瓷靶材，重复频率3Hz、 4Hz、 5Hz、 6Hz或7Hz，能,量为 80mJ、 90mJ、 100mJ、 110mJ或120mJ，等离子辅助L-:MBE设备本底真空度为1 X 10—6Pa 或2X10-6Pa，生长InGaZnO薄膜时衬底温度为l()(rC、 200。C或 )()0。C,气氛为离化氧气 氛、离化氧分压为1X10-3pa或2X10-3Pa，射频离化功率100W、 200W、 300W或400W， InGaZnO薄膜生L(时间为2小时或3小时。
5. 如权利要求i所述一种InGaZnO透明导电薄膜的L-MBE制各方法制各的InGaZnO 薄膜，其特征在于所述InGaZnO薄膜厚度约为5()()-7()()nm,电阻率为5.24 X l(r3 Q cm， 电子迁移率为16.14cmV:ls 1 ，电子浓度为8.31 X 1019cm—3。
全文摘要
本发明公开了一种采用InGaZnO陶瓷靶材(In∶Ga∶Zn原子比为1∶1∶1)，利用等离子辅助L-MBE设备，在高真空条件下(本底真空度为10-6Pa，生长时O2分压为10-3Pa，射频功率为100-400W)，在石英玻璃衬底上外延生长非晶态INGAZNO透明导电薄膜的工艺。其中射频功率300W时所得到的INGAZNO薄膜可见光范围透过率超过80％，电阻率为5.24×10-3Ωcm，电子迁移率为16.14cm2v-1s-1，电子浓度为8.31×1019cm-3。该方法利用等离子辅助L-MBE设备，在高真空条件下在石英玻璃衬底上外延生长非晶态INGAZNO透明导电薄膜，在100-400W射频功率得到光学和电学性能优良的非晶态INGAZNO透明导电薄膜。
文档编号C23C14/08GK101691651SQ20091002421
公开日2010年4月7日 申请日期2009年10月10日 优先权日2009年10月10日
发明者侯洵, 张景文, 王东, 王建功, 种景 申请人:西安交通大学