一种p型透明导电氧化物及其掺杂非晶薄膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种p型透明导电氧化物及其掺杂非晶薄膜的制备方法，涉及半导体薄膜技术领域。本发明专利技术采用反应磁控溅射方法，控制工艺参数，制备出空穴载流子浓度和迁移率相对比于结晶氧化物薄膜同时提高的非晶薄膜。制备方法原理简单，沉积温度低，工艺参数可控性强，制备成本低廉，规模生产潜力巨大。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体薄膜
，尤其涉及一种具有P型导电特性、高电导率、高载流子浓度、高迁移率的非晶透明氧化物及其掺杂非晶薄膜的制备技术。
技术介绍
非晶氧化物半导体(Amorphous Oxide Semiconductor, AOS)薄膜是一类应用比较独特的半导体材料，主要应用于柔性微电子器件制备和生产。这类器件要求薄膜材料易弯折、重量轻、抗震性好以及价格便宜。柔性微电子器件是未来信息产业发展重要领域，是诸如超大高分辨电子显示器、个人可穿戴电脑系统和纸质显示器等最顶尖信息系统的关键部件。非晶氧化物半导体材料中最典型的是非晶In-Ga-Zn-O体系(a -1nGaZnO)，其具有良好的室温η型导电性能，被认为是可以广泛应用在透明器件、柔性器件、特殊平板显示及太阳能电等诸多领域。在柔性透明器件的制备中，薄膜晶体管(TFTs)是基础和关键器件，要求半导体薄膜材料具有高的迁移率，易于低温制备，成本低廉。另外在透明“智能”器件中制备透明薄膜PN结是关键技术，需要导电性能可良好匹配的η型和P型透明薄膜材料。现在研究发现室温P型透明导电的非晶氧化物薄膜难以制备，室温导电性能难以与η型半导体材料相当。研发P型透明导电的非晶氧化物薄膜材料在研究和应用透明微电子器件中有非常重要的意义和价值。氧化亚铜(Cu2O)及其掺杂体系被认为是应用潜力巨大的P型透明导电半导体材料。氧化亚铜具有特殊的反萤石晶体结构，其晶体结构中存在Cu-O-Cu的高度对称空间网状化学键结构，在室温下稳定存在一定量的Cu空位(Cu vacancies)在其结构中，导致室温即表现出P型导电特性。制备出氧化亚铜及其掺杂体系的P型非晶透明导电薄膜研究在^ ^晶氧化物半导体薄膜研究中有重要意义和价值。磁控溅射技术是一种典型的物理气相沉积方法，已经广泛的应用于科研和工业生产之中，用于制备包括金属、合金、半导体、氟化物、氧化物、硫化物、硒化物和II1-V主族、I1-VI主族元素的化合物薄膜等。其中反应磁控溅射，由于其制备过程简单，工艺参数可控性强，特别适合各种结构的氮化物、氧化物及硫化物等化合物薄膜的制备。在反应磁控溅射中，可以通过控制工艺来调整薄膜的晶体结构，控制缺陷、晶体取向及应力分布等。反应磁控溅射技术制备成本低廉，适合大规模工业化生产。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有P型透明导电氧化物及其掺杂氧化物非晶薄膜制备困难，并且室温导电性差，空穴载流子浓度低问题，提供了一种制备高导电性P型透明导电氧化物非晶薄膜的方法。采用反应磁控溅射方法，控制工艺参数，可制备出空穴载流子浓度和迁移率相对比于结晶氧化物薄 膜同时提高的非晶薄膜。Ag掺杂氧化亚铜(Cu2O)非晶透明薄膜其室温P型导电性能最佳，电阻率为0.04 Ω.αιι，空穴载流子浓度为1.85X 1021cm_3，迁移率为 0.767cm2/V.s，透光率在 40 60%。本专利技术提供的反应磁控溅射制备P型透明导电氧化物及其掺杂氧化物非晶薄膜方法，具体包括以下几个步骤:步骤一:准备基片，将基片先使用丙酮超声清洗IOmin以上，吹干，再用乙醇溶液(分析醇)超声清洗IOmin以上，吹干。所述的丙酮超声清洗和乙醇溶液超声清洗各洗一遍以上。所述的基片为7095玻璃基片、石英基片、NaCl单晶基片或Si基片，基片的厚度为0.5 2mm.步骤二:将基片固定在磁控溅射仪的样品台上，然后将样品台放入磁控溅射仪的真空室。步骤三:将金属靶(纯度大于等于99.99%)放入真空室，固定在靶位上；如果需要掺杂金属，或者在金属靶表面贴上所需掺杂金属片，如Cu靶上粘贴Ag片(纯度大于等于99.99%);或者采用合金祀。所述的金属祀选择的金属可以是Cu、Ag、Pt等,所述的掺杂金属可以是Ag、Al、In等。步骤四:将磁控溅射仪的真空室抽真空，如果采用纯金属靶或者贴片掺杂金属方式，当真空室的真空度达到预定值4.0 5.0X IO-4Pa后，向真空室中充入高纯O2气，待真空室内气体压力稳定在0.1 1.5Pa ;继续向真空室中充入高纯Ar气，使真空室内气体压力稳定在2.0 5.0Pa。如果采用合金祀方式，当真空室的真空度达到预定值4.0 5.0X10_4Pa后，向真空室内充入高纯O2气和高纯Ar气，使真空室内气体压力稳定在1.0 2.0Pa,其中氧气与気气的气压比保持与贴片方式一样的比例。步骤五:根据溅射金属靶的材料不同，其关键控制指标为溅射表面比功率最大不能超过5Ow/cm2 .具体电源溅射参数为:如果采用双极脉冲电源，负极电压不低于450V，电流I小于0.1A，一般选取为0.05A ( K0.1A ;如果采用射频电源，打开射频电源加电压200 500V，输出功率为50 200W。控制沉积时间达到30 120s后，停止沉积，制备出透明导电氧化物非晶薄膜或者掺杂氧化物非晶薄膜，其中掺杂氧化物非晶薄膜中掺杂金属与氧化物金属的原子比小于等于30%。本专利技术的优点在于:(1)本专利技术提供一种制备P型透明导电非晶氧化物薄膜的新方法。其制备采用反应磁控溅射方法，原理简单，沉积温度低，工艺参数可控性强，制备成本低廉，规模生产潜力巨大。(2)本专利技术利用反应溅射原理，制备出Ag掺杂及未掺杂的氧化亚铜(Cu2O)非晶薄膜，相比于结晶薄膜，载流子浓度和迁移率同时提高，改善其室温P型导电性能。其中Ag掺杂Cu2O非晶薄膜的室温P型导电性能十分优异，电阻率仅为0.04 Ω.cm，其空穴载流子浓度高达1.85X 1021cnT3，迁移率也可达0.767cm2/V.S。附图说明图1非晶Cu2O薄膜与结晶Cu2O的X射线衍射图谱；图2非晶(AgxCu1-x)2O薄膜与结晶(AgxCu1-x)2O的X射线衍射图谱。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细说明。实施例1采用本专利技术提供的反应溅射制备方法制备P型透明导电非晶氧化亚铜(Cu2O)薄膜，具体包括以下步骤:步骤一:准备基片，将基片先使用丙酮超声清洗IOmin以上，吹干，再用乙醇溶液(分析醇)超声清洗IOmin以上，吹干。所述的丙酮超声清洗和乙醇溶液超声清洗各洗一遍以上。所述的基片为石英基片，基片的厚度为0.5 2mm。步骤二:将基片固定在磁控溅射仪的样品台上，然后将样品台放入磁控溅射仪的真空室。步骤三:将Cu靶(纯度大于等于99.99%)放入真空室，固定在靶位上。步骤四:将磁控溅射仪的真空室抽真空，当真空室的真空度达到预定值5.0X10_4Pa后，向真空室中充入高纯O2气，待真空室内气体压力稳定在1.5Pa，继续向真空室中充入高纯Ar气，待真空室内气体压力稳定在5.0Pa0步骤五:打开双极脉冲电源，加负极电压450V，电流0.08A开始沉积；或者打开射频电源加电压500V，输出功率150w开始沉积。其靶面比功率不超过35w/cm2，控制沉积时间达到120s后，停止沉积，制备出非晶Cu2O透明导薄膜。所制备出的非晶Cu2O薄膜(Cu20_a )的结构如图1中下面曲线所示，无明显的结晶衍射峰，可以认为是非晶薄膜结构。如图1中上面曲线所示，结晶Cu2O薄膜具有两个明显的衍射峰(111)和(200)。同时测试非晶薄膜和结晶薄膜的室温P型导电特性，结果如表I所示，发现非晶Cu2O薄膜相比于结晶薄膜，其载流子浓度和迁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种p型透明导电氧化物及其掺杂非晶薄膜的制备方法，其特征在于：包括以下几个步骤：步骤一：准备基片，将基片先使用丙酮超声清洗10min以上，吹干，再用乙醇溶液超声清洗10min以上，吹干；所述的丙酮超声清洗和乙醇溶液超声清洗各洗一遍以上；步骤二：将基片固定在磁控溅射仪的样品台上，然后将样品台放入磁控溅射仪的真空室；步骤三：将金属靶放入真空室，固定在靶位上；如果需要掺杂金属，或者在金属靶表面贴上所需掺杂金属片；或者采用合金靶；步骤四：将磁控溅射仪的真空室抽真空，如果采用纯金属靶或者贴片掺杂金属方式，当真空室的真空度达到预定值4.0～5.0×10?4Pa后，向真空室中充入高纯O2气，待真空室内气体压力稳定在0.1～1.5Pa；继续向真空室中充入高纯Ar气，使真空室内气体压力稳定在2.0～5.0Pa；如果采用合金靶方式，当真空室的真空度达到预定值4.0～5.0×10?4Pa后，向真空室内充入高纯O2气和高纯Ar气，使真空室内气体压力稳定在1.0～2.0Pa，其中氧气与氩气的气压比保持与贴片方式一样的比例；步骤五：根据溅射金属靶的材料不同，其溅射表面比功率不能超过50w/cm2；具体电源溅射参数为：如果采用双极脉冲电源，负极电压不低于450V，电流I不超过0.1A，；如果采用射频电源，打开射频电源加电压200～500V，输出功率为50～200W；控制沉积时间达到30～120s后，停止沉积，制备出透明导电氧化物非晶薄膜或者掺杂氧化物非晶薄膜。...

【技术特征摘要】
1.一种P型透明导电氧化物及其掺杂非晶薄膜的制备方法，其特征在于:包括以下几个步骤: 步骤一:准备基片，将基片先使用丙酮超声清洗IOmin以上，吹干，再用乙醇溶液超声清洗IOmin以上，吹干；所述的丙酮超声清洗和乙醇溶液超声清洗各洗一遍以上； 步骤二:将基片固定在磁控溅射仪的样品台上，然后将样品台放入磁控溅射仪的真空室; 步骤三:将金属靶放入真空室，固定在靶位上；如果需要掺杂金属，或者在金属靶表面贴上所需掺杂金属片；或者采用合金靶； 步骤四:将磁控溅射仪的真空室抽真空，如果采用纯金属靶或者贴片掺杂金属方式，当真空室的真空度达到预定值4.0 5.0X KT4Pa后，向真空室中充入高纯O2气，待真空室内气体压力稳定在0.1 L 5Pa;继续向真空室中充入高纯Ar气，使真空室内气体压力稳定在2.0 5.0Pa ;如果采用合金靶方式，当真空室的真空度达到预定值4.0 5.0X 10_4Pa后，向真空室内充入高纯O2气和高纯Ar气，使真空室内气体压力稳定在1.0 2.0Pa，其中氧气与IS气的气压比保持与贴片方式一样的比例； 步骤五:根据溅射金属靶的材料不同，其溅射表面比功率不能超过50w/cm2 ； 具体电源溅射参数为:如果采用双极脉冲电源，负极电压不低于450V，电流I不超过0.1A，；如果采用射频电源，打开射频电源加电压200 500V，输出功率为50 200W ;控制沉积时间达到30 120s后，停止沉积，制备出透明导电氧化物非晶薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕晓昉，黄钦，王柳，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：