[发明专利]一种非晶氧化物半导体薄膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种非晶氧化物半导体薄膜及其制备方法以及作为沟道层在薄膜晶体管（TFT）中的应用。

背景技术

当下电子产品更新换代迅速，对显示技术提出了更高的要求。透明显示、大尺寸、柔性显示是技术发展的必然趋势。作为平面显示驱动电路的控制单元，性能优异的薄膜场效应晶体管（TFT）对于显示技术的发展进步具有重要意义。

工业上最早被用作薄膜晶体管沟道层的是非晶硅和多晶硅材料。非晶硅可以在较低的温度条件下大面积沉积，衬底的选择范围很宽；其制备工艺与集成电路工艺相似，技术成熟且有技术优势；但是非晶硅具有光照条件下性能不稳定、载流子迁移率低等缺点。多晶硅虽然具有很高的载流子迁移率（30-100cm²/Vs)，但是，由于晶粒尺寸不均匀造成其电学性能的不均一，进而影响显示效果。同时，晶界存在导致的性能衰退，限制了其在柔性显示领域的应用。

后来，研究者发现非晶氧化物半导体可作为薄膜晶体管(TFT)沟道层材料，显示出优异的性能。非晶InGaZnO（IGZO）薄膜晶体管的研制成功及其在薄膜晶体管中的成功应用，引领了众多的研究者开始对非晶半导体氧化物的研究，此后不断开发出了一些新的体系。研究指出该类氧化物中含有电子结构为4d¹⁰5s⁰（n为主量子数）的元素，球形分布的5s轨道作为载流子传输的通道，弯曲对其重叠程度影响很小，对电学性能的影响也不大，因此，可以很好的用于柔性显示。同时，较高的载流子迁移率（约10cm²/Vs）亦可满足高帧频的要求。

但是，早期开发的大部分体系中均使用稀有金属元素In、Ga，由于其储量少、价格高且资源有限，导致器件制备成本较高且不利于技术的可持续发展。研究发现Sn具有上述4d¹⁰5s⁰电子结构，可以替代In提供载流子传输通道。因此，ZnSnO（ZTO）作为一个替代体系被广泛研究。

虽然，ZTO体系表现出与IGZO体系相接近的性能，但是，由于体系中缺少Ga元素的替代物，存在载流子浓度高、器件性能不稳定等问题。相关研究发现Ti元素的加入可以起到载流子抑制剂和稳定剂的作用。因此，研究TiZnSnO（TZTO）薄膜制备及其作为沟道层在TFT中的应用具有重要的基础和实用价值。

发明内容

为克服现有技术中的问题，本发明提供了一种非晶氧化物半导体薄膜及其制备方法以及作为沟道层在薄膜晶体管中的应用。

本发明提供一种非晶氧化物半导体薄膜，其化学式为Ti_xZnSnO_2x+3，其中0.02≤x≤0.12，室温生长及400℃退火后薄膜均保持非晶相，薄膜对可见光透过率超过85%。

本发明还提供了制备一种非晶氧化物半导体薄膜Ti_xZnSnO_2x+3的方法，其特征在于包括如下步骤：

1）以纯度不低于99.99%的TiO₂、ZnO、SnO₂氧化物粉末为原料，按照原子比Ti：Zn：Sn= x：1：1（0.02≤x≤0.06）比例混合，经过球磨、干燥、成型、烧结，制成陶瓷靶材；

2）利用射频磁控溅射方法，使用步骤1）制备的靶材，在清洗干净的衬底上及室温条件下沉积薄膜，生长条件如下：真空抽至压强低于2×10^-3Pa，通入高纯Ar气，调节腔体压强至1.0-5.0Pa，射频源功率调至100-200W，薄膜生长时间10-20min；

3）步骤2）制备的非晶氧化物半导体薄膜，空气气氛中300-400℃条件下退火，保温时间30-60min。

优选的，上述非晶氧化物半导体薄膜的制备方法中使用的衬底可以为硅片、氧化硅片、蓝宝石、石英、玻璃、苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯或聚酰亚胺。

本发明还提供了Ti_xZnSnO_2x+3（0.02≤x≤0.06）非晶氧化物半导体薄膜作为沟道层在制备薄膜晶体管（TFT）中的应用。

本发明与现有技术相比具有的有益效果为：

1）非晶半导体氧化物Ti_xZnSnO_2x+3薄膜相比于非晶硅薄膜具有更高的载流子迁移率，相比于多晶硅薄膜具有更好的性能稳定性，可用于高分辨率、高帧频显示；