一种p型CuMInO非晶氧化物半导体薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种p型CuMInO非晶氧化物半导体薄膜，其中M为III族元素B、Al、Ga、Sc、Y中的一种，Cu为+1价，M为+3价，In为+3价，Cu、M、In三种元素与O结合共同形成具有p型导电特性的非晶材料，同时In具有球形电子轨道，在非晶状态下电子云能高度重合，起到空穴传输通道的作用。CuMInO的化学式为CuM

P type CuMInO amorphous oxide semiconductor film and preparation method thereof

The invention discloses a p type CuMInO amorphous oxide semiconductor thin film, wherein M is a metal element B, Al, III Ga, Sc, Y, Cu +1 M +3 price, In price, +3 price, combined with Cu, M, In three elements together with O form crystal material with conductive properties of P type, while In has a spherical electron orbit, the electron cloud amorphous state to a high degree of coincidence, the hole transport channel effect. The chemical formula for CuMInO is CuM

【技术实现步骤摘要】
一种p型CuMInO非晶氧化物半导体薄膜及其制备方法
本专利技术涉及一种非晶氧化物半导体薄膜，尤其涉及一种p型非晶氧化物半导体薄膜及其制备方法。
技术介绍
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。目前，TFT主要是基于非晶硅（a-Si）技术，但是a-SiTFT是不透光的，光敏性强，需要加掩膜层，显示屏的像素开口率低，限制了显示性能，而且a-Si迁移率较低（~2cm2/Vs），不能满足一些应用需求。基于多晶硅（p-Si）技术的TFT虽然迁移率高，但是器件均匀性较差，而且制作成本高，这限制了它的应用。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制约。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。与Si基TFT不同，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。由于金属氧化物特殊的电子结构，氧原子的2p能级一般都远低于金属原子的价带电子能级，不利于轨道杂化，因而O2p轨道所形成的价带顶很深，局域化作用很强，因而空穴被严重束缚，表现为深受主能级，故此，绝大多数的氧化物本征均为n型导电，具有p型导电特性的氧化物屈指可数。目前报道的p型导电氧化物半导体主要为SnO、NiO、Cu2O、CuAlO2等为数不多的几种，但这些氧化物均为晶态结构，不是非晶形态。目前人们正在研究的AOS如InGaZnO等均为n型半导体，具有p型导电的非晶态氧化物半导体几乎没有。因而，目前报道的AOSTFT均为n型沟道，缺少p型沟道的AOSTFT，这对AOSTFT在新一代显示、透明电子学等诸多领域的应用产生了很大的制约。因而，设计和寻找并制备出p型导电的非晶氧化物半导体薄膜是人们亟需解决的一个难题。
技术实现思路
本专利技术针对实际应用需求，拟提供一种p型非晶氧化物半导体薄膜及其制备方法。根据已有报道，晶态CuMO2（M为III族元素）是一种较为典型的p型氧化物半导体体系，如CuAlO2，但该体系的材料在非晶态下却不是p型导电，而是高阻绝缘态。以此为借鉴，本专利技术的技术方案为：提供一种p型CuMInO非晶氧化物半导体薄膜，这是一个三元氧化物体系，M为III族元素B、Al、Ga、Sc、Y中的一种。在p型CuMInO中，Cu为+1价，M为+3价，In为+3价，Cu、M、In三种元素与O结合共同形成具有p型导电特性的非晶材料，同时In具有球形电子轨道，在非晶状态下电子云能高度重合，因而In起到空穴传输通道的作用。本专利技术所提供的p型CuMInO非晶氧化物半导体薄膜，在CuMInO中，Cu为+1价，M为III族元素B、Al、Ga、Sc、Y中的一种，为+3价，In为+3价；CuMInO薄膜为非晶态，其化学式为CuMxInyO2，其中0.2≦x≦0.8，0.2≦y≦0.8，且x+y=1；CuMInO非晶薄膜具有p型导电特性。本专利技术所提供的p型CuMInO非晶氧化物半导体薄膜，进一步地，当M为Al时，此时CuMInO即为CuAlInO，p型CuAlInO非晶氧化物半导体薄膜的空穴浓度1013~1015cm-3，可见光透过率≧85%。本专利技术还提供了制备上述p型CuAlInO非晶氧化物半导体薄膜的制备方法，具体步骤如下：（1）以高纯Cu2O、Al2O3和In2O3粉末为原材料，混合，研磨，在1000~1100℃的Ar气氛下烧结，制成CuAlInO陶瓷片为靶材，其中Cu、Al、In三组分的原子比为1:(0.2~0.8):(0.2~0.8)；（2）采用脉冲激光沉积（PLD）方法，将衬底和靶材安装在PLD反应室中，抽真空至真空度低于1×10-3Pa；（3）通入O2为工作气体，气体压强7~13Pa，衬底温度为25~600℃，以脉冲激光轰击靶材，靶材表面原子和分子熔蒸后在衬底上沉积，形成一层薄膜，在不高于100Pa的O2气氛中自然冷却到室温，得到p型CuAlInO非晶薄膜。以本专利技术以上述p型CuAlInO非晶氧化物半导体薄膜为沟道层，制备出AOS薄膜晶体管（TFT），所得的p型非晶CuAlInOTFT开关电流比104~105，场效应迁移率5.2~12.7cm2/Vs。上述材料参数和工艺参数为专利技术人经多次实验确立的，需要严格控制，在专利技术人的实验中若超出上述参数的范围，则无法实现设计的p型CuAlInO材料，也无法获得具有p型导电且为非晶态的CuAlInO薄膜。在p型CuMInO体系中，当M为B、Ga、Sc、Y时，与M为Al具有同样的机理，具有类似的性质，除CuAlInO之外的其它的p型CuMInO非晶氧化物半导体薄膜均能用上述类似的方法与步骤进行制备，所得的材料和器件具有类似的性能。本专利技术的有益效果在于：1）本专利技术所述的p型CuMInO非晶氧化物半导体薄膜，Cu、M、In三种元素与O结合共同形成具有p型导电特性的非晶材料，同时In起到空穴传输通道的作用，基于上述原理，CuAlInO是一种理想的p型AOS材料。2）本专利技术所述的p型CuMInO非晶氧化物半导体薄膜，具有良好的材料特性，其p型导电性能易于通过组分比例实现调控。3）本专利技术所述的p型CuMInO非晶氧化物半导体薄膜，以此作为沟道层制备的p型AOSTFT具有良好的性能，为p型AOSTFT的应用奠定了基础。4）本专利技术所述的p型CuMInO非晶氧化物半导体薄膜，与已存在的n型InGaZnO非晶氧化物半导体薄膜组合，可形成一个完整的AOS的p-n体系，且p型CuMInO与n型InGaZnO均为透明半导体材料，因而可制作透明光电器件和透明逻辑电路，开创AOS在透明电子产品中应用，极大促进透明电子学的发展。5）本专利技术所述的p型CuMInO非晶氧化物半导体薄膜，可以在室温下生长，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。6）本专利技术所述的p型CuMInO非晶氧化物半导体薄膜，在生长过程中存在较宽的参数窗口，易于大面积室温沉积，能耗低，制备工艺简单、成本低，可实现工业化生产。附图说明图1为各实施例所采用的p型非晶CuAlInOTFT器件结构示意图。图中，1为低阻n++Si衬底，同时也作为栅极，2为SiO2绝缘介电层，3为p型非晶CuAlInO沟道层，4为金属Ni源极，5为金属Ni漏极。图2为实施例1制得的以p型CuAlInO非晶氧化物半导体薄膜为沟道层的TFT的转移特性曲线。具体实施例以下结合附图及具体实施例进一步说明本专利技术。实施例1（1）以高纯Cu2O、Al2O3和In2O3粉末为原材料，混合，研磨，在1000℃的Ar气氛下烧结，制成CuAlInO陶瓷片为靶材，其中Cu、Al、In三组分的原子比为1:0.2:0.8；（2）采用脉冲激光沉积（PLD）方法，将衬底和靶材安装在PLD反应室中，抽真空至真空度9×10-4Pa；（3）通入O2为工作气体，气体压强7本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种p型CuMInO非晶氧化物半导体薄膜，其特征在于：所述CuMInO中M为III族元素B、Al、Ga、Sc、Y中的一种，且M为+3价，Cu为+1价，In为+3价，Cu、M、In三种元素与O结合共同形成具有p型导电特性的非晶材料，同时In具有球形电子轨道，在非晶状态下电子云高度重合，起到空穴传输通道的作用。

【技术特征摘要】
1.一种p型CuMInO非晶氧化物半导体薄膜，其特征在于：所述CuMInO中M为III族元素B、Al、Ga、Sc、Y中的一种，且M为+3价，Cu为+1价，In为+3价，Cu、M、In三种元素与O结合共同形成具有p型导电特性的非晶材料，同时In具有球形电子轨道，在非晶状态下电子云高度重合，起到空穴传输通道的作用。2.根据权利要求1所述的一种p型CuMInO非晶氧化物半导体薄膜，其特征在于：所述p型CuMInO非晶氧化物半导体薄膜的化学式为CuMxInyO2，其中0.2≦x≦0.8，0.2≦y≦0.8，且x+y=1。3.根据权利要求2所述的一种p型CuMInO非晶氧化物半导体薄膜，其特征在于：M为Al，所述CuMInO为CuAlInO。4.根据权利要求3所述的一种p型CuMInO非晶氧化物半导体薄膜，其特征在于：p型CuAlInO非晶氧化物半导体薄膜的空穴浓度1013~1015cm-3，可见光透过率≧85%。5.如权利要求3或4所述的一种p型CuMInO非晶氧化物半导体薄膜的制备方法，其特征在于：制备p型CuAlInO非晶氧化物半导体薄膜的...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕建国，孟璐，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33