非晶铟锡锌氧化物薄膜的制备及特性研究

摘要

近些年来，半导体氧化物薄膜作为一种新型的透明导电薄膜，因其低电阻率和高可见光透过率等优点，在微电子领域、半导体领域得到了普遍的关注。现如今应用比较广泛的半导体氧化物薄膜主要是铟锡氧化物(ITO)、氧化锌掺铝(AZO)等多晶薄膜，但它们的光电特性容易受薄膜厚度及环境的影响。相比于传统的多晶薄膜，非晶铟锡锌氧化物(ITZO)薄膜具有表面平整度高、界面好、光电性能优异、电学性能随厚度变化小等优点，可以用来制备薄膜晶体管(TFT)的透明电极和有源层，具有很高的科学研究价值和应用价值。国内外对ITZO薄膜的研究相对较少，缺乏对其光电特性系统的研究，本论文采用射频磁控溅射方法制备非晶ITZO薄膜，对其结构、形貌、光电性能进行了系统的研究，并将其用于制备同质ITZO-TFT。
　　(1)在室温下，通过射频磁控溅射方法沉积了非晶ITZO薄膜。研究ITZO薄膜的形貌、结构、电学性能和光学性能随功率的变化规律。实验发现ITZO薄膜的特性强烈依赖于射频功率。当功率为80W时，ITZO薄膜电学性能最佳，其电阻率为3.81×10-4Ω·cm，载流子浓度为6.45×1020cm-3，霍尔迁移率24.14cm2V-1s-1。所有ITZO样品具有良好的光学性能，其可见光平均透过率均大于84％。ITZO样品的光学带隙随着功率的增加逐渐变大。
　　(2)研究了薄膜特性随气压的变化规律。当气压为0.8Pa时，ITZO样品的表面形貌最平滑，沉积质量最高，电学性能最佳，其电阻率为3.66×10-4Ω·cm，载流子浓度为6.75×1020cm-3，霍尔迁移率26.06 cm2V-1s-1。ITZO样品在可见光区的平均透过率均超过了85％。
　　(3)研究了ITZO薄膜特性随厚度的变化规律。随着ITZO样品厚度的增加，电学性能逐渐改善，但整体变化幅度不大。当厚度为500nm时，薄膜拥有最佳的电学性能，其电阻率为3.87×10-4Ω·cm，载流子浓度为5.50×1020cm-3，霍尔迁移率29.33cm2V-1s-1。当厚度继续增加时，薄膜的电学性能开始变差，这可能是溅射时间过长，溅射粒子对已形成的薄膜轰击造成的。厚度的增加使得薄膜对光的散射、吸收和反射加强从而降低了可见光平均透过率。
　　(4)使用非晶ITZO薄膜制备了同质ITZO-TFT。通过射频磁控溅射方法在含氧化层的硅片衬底上制备了同质ITZO-TFT，其有源层和电极材料均为ITZO。TFT的电学性能良好，器件的电流开关比为2×106，迁移率为12cmV-1s-1，阈值电压为0.2V，亚阈值摆幅为0.8V/decade。结果表明ITZO薄膜可以用来作为薄膜晶体管中的有源层和透明电极。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 透明导电氧化物薄膜

1．2．1 氧化铟基TCO薄膜

1．2．2 氧化锡基TCO薄膜

1．2．3 氧化锌基TCO薄膜

1．3 透明导电氧化物薄膜制备技术

1．3．1 磁控溅射沉积

1．3．2 化学气相沉积

1．3．3 真空蒸发沉积

1．3．4 分子束外延沉积

1．3．5 激光脉冲沉积

1．4 透明导电氧化物薄膜的主要应用

1．5 ITZO薄膜的研究现状

1．6 课题研究的主要内容和意义

第二章 薄膜的制备及表征

2．1 薄膜制备方法及原理

2．2 ITZO薄膜的制备

2．2．1 实验仪器介绍

2．2．2 衬底清洗过程

2．2．3 薄膜制备过程

2．3 薄膜的表征方法及原理

2．3．1 薄膜厚度的测量

2．3．2 薄膜光学特性的测量

2．3．3 薄膜电学性能的测量

2．3．4 薄膜结构特性的测量

2．3．5 薄膜表面形貌的表征

第三章 ITZO薄膜性能的研究

3．1 射频溅射功率对ITZO薄膜特性的影响

3．1．1 射频功率对薄膜沉积速率的影响

3．1．2 射频功率对ITZO薄膜结构特性的影响

3．1．3 射频功率对ITZO薄膜表面形貌的影响

3．1．4 射频功率对ITZO薄膜电学特性的影响

3．1．5 射频功率对ITZO薄膜光学性能的影响

3．2 溅射气压对ITZO薄膜特性的影响

3．2．1 溅射气压对ITZO薄膜电学性能的影响

3．2．2 溅射气压对ITZO薄膜光学性能的影响

3．2．3 溅射气压对ITZO薄膜表面形貌的影响

3．3 厚度对ITZO薄膜特性的影响

3．3．1 厚度对ITZO薄膜电学性能影响

3．3．2 厚度对ITZO薄膜光学性能的影响

3．3．3 厚度对ITZO薄膜表面形貌的影响

第四章 基于ITZO薄膜的同质ITZO-TFT的制备

4．1 同质ITZO-TFT的制备及表征

4．2 同质ITZO-TFT的电学性能

第五章 结论

5．1 主要成果

5．2 主要创新点

5．3 后续研究重点

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文