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

背景技術(shù)：

薄膜晶體管（TFT）是微電子特別是顯示工程領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。目前，TFT主要是基于非晶硅（a-Si）技術(shù)，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(yīng)用需求。基于多晶硅（p-Si）技術(shù)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(yīng)用。此外，有機半導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(guān)電流比，較快的器件響應(yīng)速度，應(yīng)用于高驅(qū)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(jié)構(gòu)，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(yán)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(dǎo)電，具有p型導(dǎo)電特性的氧化物屈指可數(shù)。目前報道的p型導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)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(jié)構(gòu)，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(dǎo)體，具有p型導(dǎo)電的非晶態(tài)氧化物半導(dǎo)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(xué)等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生了很大的制約。因而，設(shè)計和尋找并制備出p型導(dǎo)電的非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜是人們亟需解決的一個難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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

根據(jù)已有報道，晶態(tài)CuMO₂（M為III族元素）是一種較為典型的p型氧化物半導(dǎo)體體系，如CuAlO₂，但該體系的材料在非晶態(tài)下卻不是p型導(dǎo)電，而是高阻絕緣態(tài)。以此為借鑒，本發(fā)明的技術(shù)方案為：提供一種p型CuMInO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜，這是一個三元氧化物體系，M為III族元素B、Al、Ga、Sc、Y中的一種。在p型CuMInO中，Cu為+1價，M為+3價，In為+3價，Cu、M、In三種元素與O結(jié)合共同形成具有p型導(dǎo)電特性的非晶材料，同時In具有球形電子軌道，在非晶狀態(tài)下電子云能高度重合，因而In起到空穴傳輸通道的作用。

本發(fā)明所提供的p型CuMInO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜，在CuMInO中，Cu為+1價，M為III族元素B、Al、Ga、Sc、Y中的一種，為+3價，In為+3價；CuMInO薄膜為非晶態(tài)，其化學(xué)式為CuM_xIn_yO₂，其中0.2≦x≦0.8，0.2≦y≦0.8，且x+y=1；CuMInO非晶薄膜具有p型導(dǎo)電特性。

本發(fā)明所提供的p型CuMInO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜，進一步地，當(dāng)M為Al時，此時CuMInO即為CuAlInO，p型CuAlInO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜的空穴濃度10¹³~10¹⁵cm^-3，可見光透過率≧85%。

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

（1）以高純Cu₂O、Al₂O₃和In₂O₃粉末為原材料，混合，研磨，在1000~1100℃的Ar氣氛下燒結(jié)，制成CuAlInO陶瓷片為靶材，其中Cu、Al、In三組分的原子比為1:(0.2~0.8):(0.2~0.8)；

（2）采用脈沖激光沉積（PLD）方法，將襯底和靶材安裝在PLD反應(yīng)室中，抽真空至真空度低于1×10^-3Pa；

（3）通入O₂為工作氣體，氣體壓強7~13Pa，襯底溫度為25~600℃，以脈沖激光轟擊靶材，靶材表面原子和分子熔蒸后在襯底上沉積，形成一層薄膜，在不高于100Pa的O₂氣氛中自然冷卻到室溫，得到p型CuAlInO非晶薄膜。

以本發(fā)明以上述p型CuAlInO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜為溝道層，制備出AOS薄膜晶體管（TFT），所得的p型非晶CuAlInO TFT開關(guān)電流比10⁴~10⁵，場效應(yīng)遷移率5.2~12.7cm²/Vs。

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(yán)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(shè)計的p型CuAlInO材料，也無法獲得具有p型導(dǎo)電且為非晶態(tài)的CuAlInO薄膜。

在p型CuMInO體系中，當(dāng)M為B、Ga、Sc、Y時，與M為Al具有同樣的機理，具有類似的性質(zhì)，除CuAlInO之外的其它的p型CuMInO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜均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CuMInO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜，Cu、M、In三種元素與O結(jié)合共同形成具有p型導(dǎo)電特性的非晶材料，同時In起到空穴傳輸通道的作用，基于上述原理，CuAlInO是一種理想的p型AOS材料。

2）本發(fā)明所述的p型CuMInO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜，具有良好的材料特性，其p型導(dǎo)電性能易于通過組分比例實現(xiàn)調(diào)控。

3）本發(fā)明所述的p型CuMInO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜，以此作為溝道層制備的p型AOS TFT具有良好的性能，為p型AOS TFT的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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

5）本發(fā)明所述的p型CuMInO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜，可以在室溫下生長，與有機柔性襯底相兼容，因而可在可穿戴、智能化的柔性產(chǎn)品中獲得廣泛應(yīng)用。

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

附圖說明

圖1為各實施例所采用的p型非晶CuAlInO TFT器件結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1為低阻n⁺⁺ Si襯底，同時也作為柵極，2為SiO₂絕緣介電層，3為p型非晶CuAlInO溝道層，4為金屬Ni源極，5為金屬Ni漏極。

圖2為實施例1制得的以p型CuAlInO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜為溝道層的TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線。

具體實施例

以下結(jié)合附圖及具體實施例進一步說明本發(fā)明。

實施例1

（1）以高純Cu₂O、Al₂O₃和In₂O₃粉末為原材料，混合，研磨，在1000℃的Ar氣氛下燒結(jié)，制成CuAlInO陶瓷片為靶材，其中Cu、Al、In三組分的原子比為1:0.2:0.8；

（2）采用脈沖激光沉積（PLD）方法，將襯底和靶材安裝在PLD反應(yīng)室中，抽真空至真空度9×10^-4Pa；

（3）通入O₂為工作氣體，氣體壓強7Pa，襯底溫度為25℃，以脈沖激光轟擊靶材，靶材表面原子和分子熔蒸后在襯底上沉積，形成一層薄膜，便得到p型CuAl_0.2In_0.8O₂非晶薄膜。

以石英為襯底，按照上述生長步驟制得p型CuAl_0.2In_0.8O₂薄膜，對其進行結(jié)構(gòu)、電學(xué)和光學(xué)性能測試，測試結(jié)果為：薄膜為非晶態(tài)，厚度60nm；具有p型導(dǎo)電特性，空穴濃度10¹⁵cm^-3；可見光透過率90%。

以鍍覆有300nm厚度SiO₂的n⁺⁺-Si為襯底，按照上述生長步驟制得p型CuAl_0.2In_0.8O₂薄膜，以此作為溝道層，采用圖1所示的結(jié)構(gòu)制作出TFT器件，n⁺⁺-Si為柵極，300nm厚的SiO₂為柵極絕緣層，CuAl_0.2In_0.8O₂溝道層厚度60nm，100nm厚的Ni金屬為源極和漏極, TFT溝道層長和寬分別為200μm和1000μm。對該p型CuAlInO非晶薄膜為溝道層的TFT進行器件性能測試，圖2為測試所得的轉(zhuǎn)移特性曲線，開關(guān)電流比為4×10⁵，場效應(yīng)遷移率12.7cm²/Vs。

實施例2

（1）以高純Cu₂O、Al₂O₃和In₂O₃粉末為原材料，混合，研磨，在1050℃的Ar氣氛下燒結(jié)，制成CuAlInO陶瓷片為靶材，其中Cu、Al、In三組分的原子比為1:0.5:0.5；

（2）采用脈沖激光沉積（PLD）方法，將襯底和靶材安裝在PLD反應(yīng)室中，抽真空至真空度9×10^-4Pa；

（3）通入O₂為工作氣體，氣體壓強10Pa，襯底溫度為300℃，以脈沖激光轟擊靶材，靶材表面原子和分子熔蒸后在襯底上沉積，形成一層薄膜，在100Pa的O₂氣氛中自然冷卻到室溫，得到p型CuAl_0.5In_0.5O₂非晶薄膜。

以石英為襯底，按照上述生長步驟制得p型CuAl_0.5In_0.5O₂薄膜，對其進行結(jié)構(gòu)、電學(xué)和光學(xué)性能測試，測試結(jié)果為：薄膜為非晶態(tài)，厚度52nm；具有p型導(dǎo)電特性，空穴濃度10¹⁴cm^-3；可見光透過率87%。

以鍍覆有300nm厚度SiO₂的n⁺⁺-Si為襯底，按照上述生長步驟制得p型CuAl_0.5In_0.5O₂薄膜，以此作為溝道層，采用圖1所示的結(jié)構(gòu)制作出TFT器件，n⁺⁺-Si為柵極，300nm厚的SiO₂為柵極絕緣層，CuAl_0.5In_0.5O₂溝道層厚度50nm，100nm厚的Ni金屬為源極和漏極, TFT溝道層長和寬分別為200μm和1000μm。對該p型CuAlInO非晶薄膜為溝道層的TFT進行器件性能測試，測試結(jié)果：開關(guān)電流比為9×10⁴，場效應(yīng)遷移率8.6cm²/Vs。

實施例3

（1）以高純Cu₂O、Al₂O₃和In₂O₃粉末為原材料，混合，研磨，在1100℃的Ar氣氛下燒結(jié)，制成CuAlInO陶瓷片為靶材，其中Cu、Al、In三組分的原子比為1:0.8:0.2；

（2）采用脈沖激光沉積（PLD）方法，將襯底和靶材安裝在PLD反應(yīng)室中，抽真空至真空度9×10^-4Pa；

（3）通入O₂為工作氣體，氣體壓強13Pa，襯底溫度為600℃，以脈沖激光轟擊靶材，靶材表面原子和分子熔蒸后在襯底上沉積，形成一層薄膜，在90Pa的O₂氣氛中自然冷卻到室溫，得到p型CuAl_0.8In_0.2O₂非晶薄膜。

以石英為襯底，按照上述生長步驟制得p型CuAl_0.8In_0.2O₂薄膜，對其進行結(jié)構(gòu)、電學(xué)和光學(xué)性能測試，測試結(jié)果為：薄膜為非晶態(tài)，厚度45nm；具有p型導(dǎo)電特性，空穴濃度10¹³cm^-3；可見光透過率85%。

以鍍覆有300nm厚度SiO₂的n⁺⁺-Si為襯底，按照上述生長步驟制得p型CuAl_0.8In_0.2O₂薄膜，以此作為溝道層，采用圖1所示的結(jié)構(gòu)制作出TFT器件，n⁺⁺-Si為柵極，300nm厚的SiO₂為柵極絕緣層，CuAl_0.8In_0.2O₂溝道層厚度45nm，100nm厚的Ni金屬為源極和漏極, TFT溝道層長和寬分別為200μm和1000μm。對該p型CuAlInO非晶薄膜為溝道層的TFT進行器件性能測試，測試結(jié)果：開關(guān)電流比為5×10⁴，場效應(yīng)遷移率5.2cm²/Vs。

上述各實施例中，使用的原料Cu₂O粉末、Al₂O₃粉末和In₂O₃粉末的純度均在99.99%以上。

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

在p型CuMInO體系中，M為III族元素B、Al、Ga、Sc、Y。上述各實施例描述的均是當(dāng)M為Al時的CuAlInO材料，對于M= B、Ga，與M=Al具有同樣的機理，因而相應(yīng)的CuMInO材料也具有類似的性質(zhì)，除CuAlInO之外的其它的p型CuMInO非晶氧化物半導(dǎo)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。