专利名称：用作薄膜晶体管沟道层的非晶氧化物薄膜及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种非晶氧化物薄膜及其制备方法，尤其是用作薄膜晶体管沟道层的非晶氧化物薄膜及其制备方法。
背景技术：
目前，平板显示技术正朝着高分辨率、大尺寸、轻量化、透明、可弯曲等方向发展，这无疑对平板显示驱动电路的核心一TFT (薄膜晶体管)的性能提出了更高的要求。但是，现在工业上广泛应用的a-Si TFT已无法满足下一代高性能平板显示的要求，主要是因为a-Si的迁移率低(〈I cmV s—1)，对可见光敏感，需要加掩膜层，像素开口率低，制备工艺复杂。因而TFT技术是制约信息显示技术发展的主要环节之一。采用非晶氧化物半导体材料作为TFT沟道层可以很好地解决以上诸多问题。目前，研究较成熟的为非晶InGaZnO(IGZO)薄膜，其迁移率可达到10 cmW，而且制备温度低，对可见光透明，与柔性透明衬底相容。这是因为非晶IGZO薄膜不存在晶界，而晶界是降低TFT迁移率与稳定性的主要原因；同时，In元素具有特殊的电子结构，其球形分布的5s轨道之间 的重叠提供了电子传输的通道，而且这种重叠程度受结晶程度的影响非常小，因此非晶IGZO TFT有着很高的迁移率。然而，对IGZO TFT来说，存在一个很大的缺点就是In和Ga这两种元素的价格高。尤其是In元素，其在地球的储量极少，且都是作为Zn、Sn等元素的伴生矿而存在，开采十分困难。且In大量用于透明导电薄膜ITO中，更加速了 In的消耗，有研究者预测在未来几十年内，In资源就会枯竭。因此，寻找与非晶IGZO性能相近的TFT沟道层材料是目前发展信息显示技术亟需解决的难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用作薄膜晶体管沟道层的非晶氧化物薄膜及其制备方法。本发明的用作薄膜晶体管沟道层的非晶氧化物薄膜，其化学式为SixZnSn02x+3，
0.06 ^ X ^ 0.14，表面粗糙度RMS值小于2 nm，载流子浓度IO14 IO16 cm—3。用作薄膜晶体管沟道层的非晶氧化物薄膜的制备方法，采用的是脉冲激光沉积法，包括如下步骤:
1)将纯度均在99.9%以上的Si02、ZnO和SnO2的粉末按原子比S1:Zn:Sn=0.06
0.14:1:1的比例混合、研磨、1000 1500°C烧结，制成陶瓷靶材；
2)采用脉冲激光沉积方法，以步骤I)的陶瓷靶作为靶材，在经清洗的衬底上沉积一层非晶氧化物薄膜，沉积条件为:衬底和靶材的距离为50飞0 mm,生长室真空度抽至3 X 10_3Pa以下，生长室通入纯O2，控制压强为1 10 Pa，调节激光能量为290 305 mj，衬底温度为25 400°C，溅射时间为I 10 min ；
3)将步骤2)所得的薄膜在空气气氛中10(T400°C退火处理3(T60min。上述的衬底可以为单晶硅片、蓝宝石、石英、玻璃、苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酩(PC)或聚酰亚胺(PI)。本发明的有益效果在于:
l)SixZnSn02x+3非晶氧化物薄膜作为TFT (薄膜晶体管)沟道层，比传统a-Si TFT的迁移率大，TFT迁移率高于7 Cm2V-1S-1,可用于大面积高清有源矩阵液晶显示(AMIXD)和有源矩阵有机发光二极管显示(AMOLED)的驱动电路。2) SixZnSn02x+3非晶氧化物薄膜与InGaZnO相比，电学性能相近，同时不含In、Ga元素，采用Sn、Si分别取代了昂贵的In、Ga，对环境友好，经济成本低，有利于信息显示领域的大规模推广应用。3) SixZnSn02x+3非晶氧化物薄膜作为TFT沟道层，阈值电压在O V附近，故该TFT在用于平板显示的驱动电路时，可以有效降低功率消耗，节省能源。4)Si元素可有效地降低SixZnSn02x+3薄膜中的氧空位的产生，从而抑制电子浓度，降低TFT器件的关态电流，将其电流开关比提闻至107。5)SixZnSn02x+3 薄膜成分分布均勻，易于腐蚀，可大面积制备，与工业上普遍使用的大面积磁控溅射设备兼容。6) SixZnSn02x+3薄膜表面粗糙度低(RMS ( 2 nm),作为TFT沟道层材料时，可降低绝缘层材料与半导体层材料界面处的缺陷态与电子散射，提高TFT的性能。7)SixZnSn02x+3在可见光区域(波长400 800 nm)的透过率大于90%，又可在低温下沉积，可用于制备柔性透明TFT等电子器件，从而推动柔性透明电子学的发展。
图1用作沟道层的非晶SiQ.Q6ZnSn03.12薄膜的紫外可见透射谱。图2为非晶Siatl6ZnSnOud^膜作沟道层的底栅式交叠型TFT结构示意图。图中，I为衬底，2为栅电极层，3为栅极绝缘层，4为沟道层，5为源极层，6为漏极层。图3非晶Si。.Q6ZnSn03.12薄膜作沟道层的TFT的转移特性曲线。
具体实施例方式以下结合附图及具体实例进一步说明本发明。实例1:1)以纯度均为99.99%的Sn02、SiO2和ZnO粉末为原材料，按原子比S1:Zn: Sn=0.06:1:1称量，分别称取SiO2 0.3605 g、ZnO 8.139 g、SnO2 15.07 g，将称量好的粉末倒入装有玛瑙球和乙醇的球磨罐中，在球磨机上球磨48个小时，使粉末细化并且均匀混合。然后将原料分离出来80 °C烘干24小时,添加粘结剂研磨,压制成直径约3 cm,厚度3 mm的圆片形胚体。把成型的胚体放入烧结炉中，在1200 °C烧结12个小时，得到所需的陶瓷靶材。2)采用脉冲激光沉积方法，以步骤I)的陶瓷靶作为靶材，在经清洗的衬底上沉积一层非晶氧化物薄膜，沉积条件为:玻璃衬底和靶材的距离为55 mm，生长室真空度抽至1.2 X 10_3 Pa，生长室通入纯02，控制压强为5 Pa，调节激光能量为300 mj,衬底温度为25°C，溅射时间为3 min,得到厚度为50 nm的Siatl6ZnSnO3.12非晶氧化物薄膜。3)将步骤2)所得的Sia Cl6ZnSnOu2非晶氧化物薄膜在空气气氛中400 1:退火处理60 min。其紫外可见透射谱见图1。其表面粗糙度RMS为1.54 nm，载流子浓度3.5X IO15cm-3。以非晶Sia JnSnOw薄膜作沟道层的TFT的结构如附图2所示，图中I为TFT的衬底，2为TFT的栅极，3为TFT的绝缘层，5和6分别为TFT的漏电极层和源电极层，4为TFT沟道层非晶Si0.06ZnSnO3.12薄膜。图3为非晶Siatl6ZnSnO3.12薄膜作沟道层的TFT的转移特性曲线，图中Ves是栅源极偏压，Ids为源漏极电流，源漏极电压Vds为10 V。计算得到其场效应迁移率为8 Cm2V-1S-1,阈值电压0.5 V，开关电流比为I X 107。实例2:
I)以纯度均为99.99%的SnO2、SiO2和ZnO粉末为原材料，按原子比S1:Zn: Sn=0.14:1:1称量，分别称取SiO2 0.8413 g、ZnO 8.139 g、SnO2 15.07 g，将称量好的粉末倒入装有玛瑙球和乙醇的球磨罐中，在球磨机上球磨48个小时，使粉末细化并且均匀混合。然后将原料分离出来80 °C烘干24小时,添加粘结剂研磨,压制成直径约3 cm,厚度3 mm的圆片形。把成型的胚体放入烧结炉中，在1200 °C烧结12个小时，得到所需的陶瓷靶材。2)采用脉冲激光沉积方法，以步骤I)的陶瓷靶作为靶材，在经清洗的衬底上沉积一层非晶氧化物薄膜，沉积条件为:玻璃衬底和靶材的距离为55 mm，生长室真空度抽至
1.2 X 10_3 Pa，生长室通入纯02，控制压强为5 Pa，调节激光能量为300 mj,衬底温度为25°C，溅射时间为3 min,得到厚度为49 nm的Sia 14ZnSn03.28非晶氧化物薄膜。3)将步骤2)所得的SiQ.14ZnSn03.28非晶氧化物薄膜在空气气氛中400 °C退火处理60 min。表面粗糙度RMS为1.86 nm，载流子浓度I X IO16 cnT3。以非晶Siai4ZnSn03.28薄膜作沟道层的薄膜晶体管的迁移率为7 Cm2W1 s—1，阈值电压为I V，开关电流比约为5X 106。
权利要求
1.用作薄膜晶体管沟道层的非晶氧化物薄膜，其特征在于它的化学式为SixZnSn02x+3，0.06 ^ X ^ 0.14，表面粗糙度RMS小于2 nm，载流子浓度IO14 IO16 cnT3。
2.制备权利要求1所述的用作薄膜晶体管沟道层的非晶氧化物薄膜的方法，其特征在于包括如下步骤:1)将纯度均在99.9%以上的Si02、ZnO和SnO2的粉末按原子比S1:Zn:Sn=0.06 0.14:1:1的比例混合、研磨、1000 1500°C烧结，制成陶瓷靶材； 2)采用脉冲激光沉积方法，以步骤I)的陶瓷靶作为靶材，在经清洗的衬底上沉积一层非晶氧化物薄膜，沉积条件为:衬底和靶材的距离为5(T60 mm,生长室真空度抽至3 X 10_3Pa以下，生长室通入纯O2，控制压强为1 10 Pa，调节激光能量为29(T305 mj，衬底温度为25 400 °C，溅射时间为Γ10 min ； 3)将步骤2)所得的薄膜在空气气氛中100 4001:退火处理30 60 min。
3.按权利要求2所述的用作薄膜晶体管沟道层的非晶氧化物薄膜的制备方法，其特征在于所述的衬底为单晶硅 片、蓝宝石、石英、玻璃、苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酩或聚酰亚胺。
全文摘要
本发明公开的用作薄膜晶体管沟道层的非晶氧化物薄膜，其化学式为SixZnSnO2x+3，0.06≦x≦0.14，表面粗糙度RMS小于2nm，载流子浓度1014~1017cm-3。采用脉冲激光沉积法制备，靶材由纯度均在99.9%以上的SiO2、ZnO和SnO2的粉末按原子比Si:Zn:Sn=0.06～0.14:1:1的比例混合、烧结得到，薄膜生长温度为25~400℃。本发明制备的非晶氧化薄膜具有在可见光区高透明度、表面粗糙度低、迁移率高、制备温度低、原材料储量丰富、成本低等优点。
文档编号H01L29/786GK103219393SQ20131013121
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月16日 优先权日2013年4月16日
发明者吕建国, 吴传佳, 叶志镇, 张 杰, 吴萍, 陈凌翔, 江庆军, 孙汝杰 申请人:浙江大学