本发明涉及一种非晶氧化物半导体薄膜，尤其涉及一种i-v族共掺杂非晶氧化物半导体薄膜与薄膜晶体管。
背景技术
薄膜晶体管（tft）是微电子特别是显示工程领域的核心技术之一。不论在目前先进显示市场中占绝对主导优势的有源矩阵液晶显示器（amlcd），还是代表未来柔性显示趋势的amoled（有源矩阵有机发光二极管显示器），tft器件均在其中的像素驱动单元中占据关键位置。此外，tft器件还在生物传感、紫外探照等方面得到广泛研究与应用。因此，研制和发展tft器件具有重要的意义。tft最重要的组成部分是其沟道层材料，关于tft的研究也集中在沟道层材料的研发和选择上。
目前，工业生产中tft的沟道层材料主要是非晶硅（a-si）和低温多晶硅（ltps），但是a-sitft迁移率较低（~2cm2/vs），难以驱动大于90英寸的显示器，而基于多晶硅（p-si）技术的tft虽然迁移率高（~100cm2/vs），但是器件均匀性较差，电学性能不稳定，而且制作成本高，这限制了它的应用。同时，si是一种间接带隙窄禁带半导体，在可见光区域是不透明的，像素开口率不能达到100%，为了获得足够的亮度需要增加光源光强，从而增加功率。并且si基半导体材料沟道层光敏性强，需要加掩膜版，也严重影响了开口率。这些缺点制约了si基tft的发展。
此外，有机半导体薄膜晶体管（otft）也有较多的研究，但是otft的稳定性不高，迁移率也比较低（~1cm2/vs），这对其实际应用是一个较大限制。
为解决上述问题，人们近年来开始致力于非晶氧化物半导体（aos）tft的研究，其中最具代表性的是ingazno。一般的非晶材料由于传导过程为跳跃模式，迁移率不高，而ingazno中的in离子外电子壳层结构为4d105s0，s轨道电子云呈球形分布，并且半径足够大以至相互重叠，为半导体电子传输提供了通道，这使得该非晶氧化物半导体也具有较高的迁移率。与si基tft相比较，aostft具有如下优点：可见光透明，光敏退化性小，不用加掩膜层，提高了开口率，可解决开口率低对高分辨率、超精细显示屏的限制；易于室温沉积，适用于有机柔性基板；迁移率较高，可实现高的开/关电流比，较快的器件响应速度，应用于高驱动电流和高速器件；特性不均较小，电流的时间变化也较小，可抑制面板的显示不均现象，适于大面积化用途。
除了ingazno外，人们研究较多的还包括znalsno、inzno、znsno等非晶氧化物半导体材料。在氧化半导体中，掺杂可以显著改变材料的性质，提升材料的性能，目前，人们研究与开发的基本都是如上述的三元或四元非晶氧化物半导体材料，很少有涉及到掺杂的情况。在非晶氧化物半导体薄膜中进行掺杂，可综合利用不同元素的各自优势，达到很好的综合性能。为此，我们提出了一种i-v族共掺杂非晶氧化物半导体材料，并提供了由掺杂非晶氧化物半导体薄膜为沟道层的一种薄膜晶体管，具有优异的性能，可望获得实际推广和应用。
技术实现要素：
本发明针对实际应用需求，提供一种i-v族共掺杂非晶氧化物半导体薄膜的制备及其在薄膜晶体管中的应用。
本发明提供了一种i-v族共掺杂非晶氧化物半导体薄膜其化学通式为znmo:(i,v)或znamo:(i,v)，其中m=in或sn，a=al或ga或zr或hf或ti或mg或si或ge或nb或be或ca或sr或ba或sc或y或v或ta或cr或mo或w或re或ni或cu或ag或au；i为i族掺杂元素li或na或k或rb或cs，v为v族掺杂元素n或p或as或sb或bi。
所述的i-v族共掺杂非晶氧化物半导体薄膜具有非晶态结构，室温下禁带宽度3.3~4.5ev，薄膜厚度10~100nm，可见光透过率大于92%。
优选的，其中i族元素的掺杂含量不高于5at.%，且v族元素的掺杂含量不高于5at.%。
本发明还提供了以上述i-v族共掺杂多元非晶氧化物半导体薄膜为沟道层，制备的薄膜晶体管，具有显著的场效应特性。
优选地，以li-n共掺杂非晶znalsno薄膜为沟道层的薄膜晶体管，开关电流比在107量级，场效应迁移率可达20cm2/vs。
优选地，以na-p共掺杂非晶zngaino薄膜为沟道层的薄膜晶体管，开关电流比在107量级，场效应迁移率可达15cm2/vs。
所述的一种非晶氧化物半导体薄膜及其薄膜晶体管，不限定多元非晶氧化物半导体薄膜的制备方法，但优选地，可采用磁控溅射方法来制备。
本发明所述的i-v族共掺杂非晶氧化物半导体薄膜znmo:(i,v)或znamo:(i,v)，其中zn为基体元素，为非晶薄膜材料的主体成分；a为载流子浓度抑制元素，与o有很强的结合能，可在材料生长过程中可引入更多的o含量，降低o空位，从而降低载流子的浓度；m具有4d105s0球形电子结构，球形电子云半径足够大以至相互重叠，为载流子传输提供了通道；o为非晶氧化物半导体所必须的组成元素；i族元素和v族元素为掺杂元素，可提供不同的施主或受主，从而调控材料的电学和光学性能，且可改善材料的稳定性。上述各元素的组合，可使以所述非晶氧化物半导体薄膜为沟道层制备出的薄膜晶体管具有优良的器件性能，包括高的开关电流比和高的迁移率。
本发明的有益效果在于：
1）本发明所述的i-v族共掺杂非晶氧化物半导体薄膜，不仅包括多种基体元素，还包括两种掺杂元素，不同的元素组合在一起，可望发挥各自的优势，达到很好的综合性能。
2）本发明所述的i-v族共掺杂非晶氧化物半导体薄膜，包含多种金属元素和非金属元素，其导电能力各不相同，具有良好的材料特性，其电学性能易于通过组分比例实现调控，具有调控性能的广泛空间，可应用于的场合。
3）本发明所述的i-v族共掺杂非晶氧化物半导体薄膜，其中掺入i族元素替代金属元素，掺入v族元素替代氧元素，可提供不同的施主或受主，其电学和光学性能易于通过改变掺杂浓度实现调控，且能显著改善材料的性能稳定性。
4）本发明所述的多元非晶氧化物半导体薄膜，可在室温下生长，与有机柔性衬底相兼容，因而可在可穿戴、智能化的柔性产品中获得广泛应用。
5）本发明所述的多元非晶氧化物半导体薄膜为宽禁带半导体，具有足够高的可见光透过性，因此透明电子器件中具有很大的应用潜力，并且减弱了其对可见光的敏感度，增强了其可见光稳定性。
6）以本发明提供的非晶氧化物半导体薄膜作为沟道层，制备出薄膜晶体管，所得器件具有显著的场效应特性，开关电流比在107量级，场效应迁移率可达15~20cm2/vs，性能优良。
具体实施例
以下结合具体实施例进一步说明本发明。
实施例1：li-n共掺杂非晶znalsno薄膜与薄膜晶体管
采用磁控溅射方法，以掺入li2o的znalsno陶瓷片为靶材，在含有活性n的氧化性气氛中室温生长非晶znalsno:(li,n)薄膜，以此作为沟道层。以显示玻璃为衬底，al为栅极、源极和漏极，sio2为绝缘层。采用上述各层薄膜，制备出非晶znalsno:(li,n)薄膜晶体管。
室温生长的非晶znalsno:(li,n)薄膜，对其进行结构、电学和光学性能测试，测试结果为：薄膜为非晶态，厚度10~100nm；li元素掺杂含量小于5at.%，n元素掺杂含量小于5at.%，成分分布均匀；室温下禁带宽度3.3~4.4ev，可见光透过率在93%以上。
制备的非晶znalsno:(li,n)薄膜晶体管，对其进行电学性能测试，测试结果为：开关电流比在107量级，场效应迁移率大于20cm2/vs，器件性能在一年内多次测试无任何区别，具有优异的稳定性。
实施例2：na-p共掺杂非晶zngaino薄膜与薄膜晶体管
采用磁控溅射方法，以掺入na2o和p2o5的zngaino陶瓷片为靶材，在氧化性气氛中室温生长非晶zngaino:(na,p)薄膜，以此作为沟道层。以显示玻璃为衬底，al为栅极、源极和漏极，sio2为绝缘层。采用上述各层薄膜，制备出非晶zngaino:(na,p)薄膜晶体管。
室温生长的非晶zngaino:(na,p)薄膜，对其进行结构、电学和光学性能测试，测试结果为：薄膜为非晶态，厚度10~100nm；na元素掺杂含量小于5at.%，p元素掺杂含量小于5at.%，成分分布均匀；室温下禁带宽度3.4~4.5ev，可见光透过率在92%以上。
制备的非晶zngaino:(na,p)薄膜晶体管，对其进行电学性能测试，测试结果为：开关电流比在107量级，场效应迁移率大于15cm2/vs，器件性能在一年内多次测试无任何区别，具有优异的稳定性。
上述i-v族共掺杂非晶氧化物半导体薄膜及其薄膜晶体管，其性能指标优异，且器件性能非常稳定，显著优于绝大多数文献报道的非晶氧化物半导体薄膜及其薄膜晶体管的性能。
在i-v族共掺杂非晶氧化物半导体薄膜为沟道层的薄膜晶体管中，掺入i族元素替代金属元素，掺入v族元素替代氧元素，可提供不同的施主或受主，易于调控其电学和光学性能，且可显著改善材料和器件的稳定性。i族掺杂元素为li或na或k或rb或cs；v族掺杂元素为n或p或as或sb或bi。除了上述li-n共掺，na-p共掺外，其它元素相互组合形成的i-v族共掺杂也具有同样的机理，具有类似的性质，同样能用上述类似的方法进行制备，所得的材料和器件具有类似的性能。