一种氧化物半导体薄膜及其制备工艺制造技术

本发明专利技术的种氧化物半导体薄膜及其制备工艺，薄膜成分为M

Oxide semiconductor film and preparation process thereof

The invention discloses an oxide semiconductor film and a preparation process thereof, wherein the composition of the film is M

【技术实现步骤摘要】
一种氧化物半导体薄膜及其制备工艺
本专利技术涉及半导体材料与器件
，特别是涉及一种氧化物半导体薄膜及其制备工艺。
技术介绍
近年来，在平板显示尤其是在有机电致发光显示(OLED)领域，基于氧化物半导体的薄膜晶体管(TFT，ThinFilmTransistor)越来越受到重视。目前用于平板显示的薄膜晶体管的半导体沟道层的材料主要是硅材料，包括非晶硅(a-Si：H)、多晶硅、微晶硅等。然而非晶硅薄膜晶体管存在对光敏感、迁移率低(<1cm2/Vs)且稳定性差等缺点；多晶硅薄膜晶体管虽然具有较高的迁移率，但是由于晶界的影响导致其电学均匀性差，此外,由于多晶硅制备温度高、成本高、难以大面积晶化，限制了其在平板显示中的应用；而微晶硅存在制备难度大、晶粒控制技术难度高，不容易实现大面积规模量产的缺陷。氧化物半导体具有载流子迁移率较高(1～100cm2/Vs)、对可见光透明等优点，在平板显示的TFT基板领域，有替代用传统硅工艺制备的薄膜晶体管的趋势。现有技术中，大部分氧化物半导体材料都是以ZnO为基体，进一步掺入In、Ga、Al或Sn等元素。此类氧化物半导体材料的薄膜晶体管存在关断难的缺陷，即在栅极电压为零时仍然存在较大的源漏电流，器件处于常开状态，导致器件品质不够高。另外，此类半导体材料对空气中的水氧非常敏感，无钝化层的器件的正扫和回扫的转移特性曲线之间的磁滞效应明显。对于覆盖有钝化层(尤其是聚合物、光刻胶等绝缘材料)的器件，由于外界的氧无法进一步吸附于氧化物半导体上，造成氧化物半导体表面的氧空位增多，器件容易出现高导状态，即氧化物半导体呈现导体特征。这就使得基于这类氧化物半导体材料的薄膜晶体管通常只能使用SiO2作为钝化层或刻蚀阻挡层，而无法使用可以直接显影图形化的聚合物或光刻胶等绝缘材料做钝化层，增加了工艺成本；同时由于SiO2的柔韧性较差，较难用于柔性衬底中。除此之外，上述的以ZnO为基体的氧化物半导体材料通常需要300℃以上的后退火温度，且通常只能在空气或氧气气氛下退火，因为外界的氧通常要在300℃左右才能与氧空位中的阳离子反应而有效地填充氧空位。如果在氮气或者惰性气体中退火，会因为无法获得氧而造成高导现象。300℃的退火温度对于玻璃衬底来说已经较低了，但是对于柔性衬底来说，它已经超过了大部分柔性衬底材料所能承受的最高温度了。专利文献(CN201310276865.6)公开了一种氧化物半导体薄膜，成分为M2xIn2-2xO3-δ且成分中不包括Zn和Sn，其中M为元素周期表中的ⅢB族元素，0.001≤x≤0.3，0≤δ＜3。然而，这种薄膜通过溅射的方法制备，需要昂贵的真空设备，制备成本较高。非专利文献(Adv.Electron.Mater.2015,1,1500146)公开了一种采用溶液制备Sc、Y、La掺杂的In2O3薄膜的方法，但是该方法采用有机溶剂，并且添加了一些具有易燃易爆性质的燃料来降低退火温度，不但不环保，而且会造成碳残留。因此，针对现有技术不足，提供一种氧化物半导体薄膜及其制备工艺以克服现有技术不足甚为必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种关断性能良好、能够适用于柔性衬底材料的氧化物半导体薄膜，其是用于薄膜晶体管的沟道层材料，具有关断性能良好、稳定性好、制备工艺简单、适用性强的特点。本专利技术的上述目的通过如下技术手段实现。提供一种氧化物半导体薄膜的制备工艺，薄膜成分为M2xIn2-2xO3-δ，且不含Zn和Sn，其中M为元素周期表中的ⅢB族元素，0.001≤x≤0.3，0≤δ＜3，采用In盐和M盐的水溶液作为前驱体溶液进行水解反应，再对水解反应后的溶液进行成膜，成膜后在温度不高于300摄氏度的条件下退火制备而成。优选的，水溶液的溶质为硝酸盐、氯化物、氢氧化物或者高氯酸盐中的一种。另一优选的，水溶液的溶质同时包含硝酸盐和高氯酸盐。另一优选的，水溶液的溶质为硝酸盐、氯化物、氢氧化物中的至少两种物质；或者水溶液的溶质为高氯酸盐、氯化物、氢氧化物中的至少两种物质。优选的，水溶液中不含碳元素。优选的，所述ⅢB族元素为Sc、Y、Ac、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、或Lu中的一种或任意两种以上组合的元素；M2xIn2-2xO3-δ的制备具体以硝酸铟、氯盐铟或者高氯酸铟的水溶液为前驱体溶液、与以Sc、Y、Ac、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、或Lu中的一种或任意两种以上的元素的硝酸盐、氯盐或者高氯酸盐的水溶液为前驱体溶液进行水解反应。优选的，所述ⅢB族元素为Nd或Sc。更优选的，所述ⅢB族元素为Sc。优选的，上述氧化物半导体薄膜的制备工艺，具体采用滴涂、旋涂、刮涂、喷涂或印刷的方法进行成膜。另一优选的，上述氧化物半导体薄膜的制备工艺，退火温度不高于230摄氏度。优选的，上述前驱体溶液为氯盐时，配合紫外光或等离子体处理，并进行退火，退火温度小于200摄氏度；退火的气氛气体为空气或者惰性气体。本专利技术同时提供一种氧化物半导体薄膜，通过上述的制备工艺制备而成，用于作为薄膜晶体管的沟道层。(1)本专利技术的氧化物半导体薄膜的制备方法所制备的薄膜，具有较高的电子迁移率；同时又能通过调节IIIB族元素的含量调节载流子浓度，从而调控基于本专利技术的氧化物半导体薄膜材料的薄膜晶体管的阈值电压。(2)本专利技术的氧化物半导体薄膜的制备方法所制备的薄膜对空气中的水、氧较不敏感，基于本专利技术的氧化物半导体薄膜材料的未钝化层保护的薄膜晶体管的正扫和回扫的转移特性曲线之间的磁滞效应较小；同时，薄膜晶体管对钝化层材料不敏感，能直接使用聚合物或光刻胶绝缘材料钝化，降低工艺成本。(3)本专利技术的氧化物半导体薄膜的制备方法后退火温度较低，能与柔性衬底兼容；并且在氮气或惰性气体气氛下退火依然能保持半导体特性，显示出较高的抗衰性。(4)本专利技术的氧化物半导体薄膜的制备方法所制备的薄膜，掺入ⅢB族元素后带隙展宽，增加光稳定性。(5)本专利技术的氧化物半导体薄膜的制备方法所制备的薄膜，由于In2O3和IIIB族元素的三价氧化物均属于方铁锰矿结构，这样掺杂后就不会严重破坏In2O3原有的晶格，有利于减少缺陷；同时，由于IIIB族元素的离子主要价态和In的主要价态均处于三价，这样，掺入后不会造成电子的富余，有利于减小载流子浓度。(6)本专利技术的氧化物半导体薄膜的制备方法采用水溶液，并且水溶液中不含有任何有机物，这样不但环保，还可以减少碳残留、降低退火温度。附图说明利用附图对本专利技术作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本专利技术的任何限制。图1是本专利技术实施例2所制备的不同x含量的薄膜的X射线衍射图。图2是本专利技术实施例2所制备的不同x含量的薄膜晶体管的转移特性曲线。图3是本专利技术实施例2所制备的不同x含量的薄膜晶体管的偏压稳定性图。图4是本专利技术实施例3所制备的不同的薄膜的X射线衍射图。图5是本专利技术实施例3基于不同Sc含量x的薄膜晶体管的转移特性曲线。图6是本专利技术实施例3基于不同Sc含量x的薄膜晶体管的偏压稳定性。图7是本专利技术实施例3所制备的不同Sc含量的X射线光电子能谱图。具体实施方式结合以下实施例对本专利技术作进一步描述。实施例1。一种氧化物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化物半导体薄膜的制备工艺，其特征在于：薄膜成分为M

【技术特征摘要】
1.一种氧化物半导体薄膜的制备工艺，其特征在于：薄膜成分为M2xIn2-2xO3-δ，且不含Zn和Sn，其中M为元素周期表中的ⅢB族元素，0.001≤x≤0.3，0≤δ＜3，其特征在于：采用In盐和M盐的水溶液作为前驱体溶液进行水解反应，再对水解反应后的溶液进行成膜，成膜后在温度不高于300摄氏度的条件下退火制备而成。2.根据权利要求1所述的氧化物半导体薄膜的制备工艺，其特征在于：水溶液的溶质为硝酸盐、氯化物、氢氧化物或者高氯酸盐中的一种。3.根据权利要求1所述的氧化物半导体薄膜的制备工艺，其特征在于：水溶液的溶质同时包含硝酸盐和高氯酸盐。4.根据权利要求1所述的氧化物半导体薄膜的制备工艺，其特征在于：水溶液的溶质为硝酸盐、氯化物、氢氧化物中的至少两种物质；或者水溶液的溶质为高氯酸盐、氯化物、氢氧化物中的至少两种物质。5.根据权利要求1至4任意一项所述的氧化物半导体薄膜的制备工艺，其特征在于：水溶液中不含碳元素。6.根据权利要求5所述的氧化物半导体薄膜的制备工艺，其特征在于：所述ⅢB族元素为Sc、Y、...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰林锋，王磊，彭俊彪，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44