本發(fā)明涉及一種非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜，尤其涉及一種p型非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
薄膜晶體管（TFT）是微電子特別是顯示工程領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。目前，TFT主要是基于非晶硅（a-Si）技術(shù)，但是a-Si TFT是不透光的，光敏性強(qiáng)，需要加掩膜層，顯示屏的像素開口率低，限制了顯示性能，而且a-Si遷移率較低（~2 cm2/Vs），不能滿足一些應(yīng)用需求?；诙嗑Ч瑁╬-Si）技術(shù)的TFT雖然遷移率高，但是器件均勻性較差，而且制作成本高，這限制了它的應(yīng)用。此外，有機(jī)半導(dǎo)體薄膜晶體管（OTFT）也有較多的研究，但是OTFT的穩(wěn)定性不高，遷移率也比較低（~1 cm2/Vs），這對(duì)其實(shí)際應(yīng)用是一個(gè)較大制約。
為解決上述問題，人們近年來開始致力于非晶氧化物半導(dǎo)體（AOS）TFT的研究，其中最具代表性的是InGaZnO。與Si基TFT不同，AOS TFT具有如下優(yōu)點(diǎn)：可見光透明，光敏退化性小，不用加掩膜層，提高了開口率，可解決開口率低對(duì)高分辨率、超精細(xì)顯示屏的限制；易于室溫沉積，適用于有機(jī)柔性基板；遷移率較高，可實(shí)現(xiàn)高的開/關(guān)電流比，較快的器件響應(yīng)速度，應(yīng)用于高驅(qū)動(dòng)電流和高速器件；特性不均較小，電流的時(shí)間變化也較小，可抑制面板的顯示不均現(xiàn)象，適于大面積化用途。
由于金屬氧化物特殊的電子結(jié)構(gòu)，氧原子的2p能級(jí)一般都遠(yuǎn)低于金屬原子的價(jià)帶電子能級(jí)，不利于軌道雜化，因而O 2p軌道所形成的價(jià)帶頂很深，局域化作用很強(qiáng)，因而空穴被嚴(yán)重束縛，表現(xiàn)為深受主能級(jí)，故此，絕大多數(shù)的氧化物本征均為n型導(dǎo)電，具有p型導(dǎo)電特性的氧化物屈指可數(shù)。目前報(bào)道的p型導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體主要為SnO、NiO、Cu2O、CuAlO2等為數(shù)不多的幾種，但這些氧化物均為晶態(tài)結(jié)構(gòu)，不是非晶形態(tài)。目前人們正在研究的AOS如InGaZnO等均為n型半導(dǎo)體，具有p型導(dǎo)電的非晶態(tài)氧化物半導(dǎo)體幾乎沒有。因而，目前報(bào)道的AOS TFT均為n型溝道，缺少p型溝道的AOS TFT，這對(duì)AOS TFT在新一代顯示、透明電子學(xué)等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生了很大的制約。因而，設(shè)計(jì)和尋找并制備出p型導(dǎo)電的非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜是人們亟需解決的一個(gè)難題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，擬提供一種p型非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜及其制備方法。
本發(fā)明提供了一種p型ZnRhMO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜，其中M為Cu、Ni、Sn，在ZnRhMO中為亞氧化化學(xué)價(jià)態(tài)。在p型ZnRhMO體系中：Zn為+2價(jià)，Rh為+3價(jià)，二者與O結(jié)合共同形成材料的p型導(dǎo)電基體；M為亞氧化化學(xué)價(jià)態(tài)，如Cu為+1價(jià)、Ni為+2價(jià)、Sn為+2價(jià)，M摻入基體中，形成p型導(dǎo)電，且M與Zn和Rh共同作用形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在非晶狀態(tài)下彼此連通，因而起到空穴傳輸通道的作用。
本發(fā)明所述的一種p型ZnRhMO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜，其特征在于：在ZnRhMO中，Zn為+2價(jià)，Rh為+3價(jià)，M為Cu、Ni、Sn中的一種，M為亞氧化化學(xué)價(jià)態(tài)；ZnRhMO薄膜為非晶態(tài)，具有p型導(dǎo)電特性。
本發(fā)明所提供的p型ZnRhMO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜，進(jìn)一步，M為Cu，此時(shí)ZnRhMO即為ZnRhCuO，p型ZnRhCuO薄膜化學(xué)式為ZnxRh2CuyOx+3+0.5y，其中1≦x≦2，0.5≦y≦1。
本發(fā)明還提供了制備上述p型ZnRhCuO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜的制備方法，具體步驟如下：
（1）以高純ZnO、Rh2O3和Cu2O粉末為原材料，混合，研磨，在1050~1100℃的N2氣氛下燒結(jié)，制成ZnRhCuO陶瓷片為靶材，其中Zn、Rh、Cu三組分的原子比為(1~2):2:(0.5~1)；
（2）采用脈沖激光沉積（PLD）方法，將襯底和靶材安裝在PLD反應(yīng)室中，抽真空至真空度低于1×10-3Pa；
（3）通入O2為工作氣體，氣體壓強(qiáng)10~13Pa，襯底溫度為25~500℃，以脈沖激光轟擊靶材，靶材表面原子和分子熔蒸后在襯底上沉積，形成一層薄膜，在不高于100Pa的O2氣氛中自然冷卻到室溫，得到p型ZnRhCuO非晶薄膜。
采用上述方法生長(zhǎng)的p型ZnRhCuO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜，其性能指標(biāo)為：ZnRhCuO非晶薄膜具有p型導(dǎo)電特性，空穴濃度1013~1015cm-3，可見光透過率≧87%。
上述材料參數(shù)和工藝參數(shù)為發(fā)明人經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)確立的，需要嚴(yán)格控制，在發(fā)明人的實(shí)驗(yàn)中若超出上述參數(shù)的范圍，則無法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的p型ZnRhCuO材料，也無法獲得具有p型導(dǎo)電且為非晶態(tài)的ZnRhCuO薄膜。
在p型ZnRhMO體系中，Zn與Rh與O結(jié)合共同形成材料的p型導(dǎo)電基體，M為Cu、Ni、Sn中的一種，為亞氧化化學(xué)價(jià)態(tài)，M摻入基體中，形成p型導(dǎo)電，且M與Zn和Rh共同作用可形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在非晶狀態(tài)下也可彼此連通，因而起到空穴傳輸通道的作用。除M為Cu外，當(dāng)M為上述所述的其它元素時(shí)，也具有同樣的機(jī)理，具有類似的性質(zhì)，除ZnRhCuO之外的其它的p型ZnRhMO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜同樣能用上述類似的方法與步驟進(jìn)行制備，所得的材料和器件具有類似的性能。
本發(fā)明的有益效果在于：
1）本發(fā)明所述的p型ZnRhMO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜，其中Zn與Rh與O結(jié)合共同形成材料的p型導(dǎo)電基體，M在材料中也可形成p型導(dǎo)電，且起到空穴傳輸通道的作用，基于上述原理，ZnRhMO是一種良好的p型AOS材料。
2）本發(fā)明所述的p型ZnRhMO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜，具有良好的材料特性，其p型導(dǎo)電性能易于通過組分比例實(shí)現(xiàn)調(diào)控。
3）本發(fā)明所述的p型ZnRhMO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜，可以作為溝道層制備的p型AOS TFT，從而為p型AOS TFT的應(yīng)用提供關(guān)鍵材料。
4）本發(fā)明所述的p型ZnRhMO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜，與已存在的n型InGaZnO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜組合，可形成一個(gè)完整的AOS的p-n體系，且p型ZnRhMO與n型InGaZnO均為透明半導(dǎo)體材料，因而可制作透明光電器件和透明邏輯電路，開拓AOS在透明電子產(chǎn)品中應(yīng)用，促進(jìn)透明電子學(xué)的發(fā)展。
5）本發(fā)明所述的p型ZnRhMO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜，可在室溫下生長(zhǎng)，與有機(jī)柔性襯底相兼容，因而可在可穿戴、智能化的柔性產(chǎn)品中獲得廣泛應(yīng)用。
6）本發(fā)明所述的p型ZnRhMO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜，在生長(zhǎng)過程中存在較寬的參數(shù)窗口，可實(shí)現(xiàn)大面積沉積，能耗低，制備工藝簡(jiǎn)單、成本低，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實(shí)施例
以下結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
實(shí)施例1
（1）以高純ZnO、Rh2O3和Cu2O粉末為原材料，混合，研磨，在1100℃的N2氣氛下燒結(jié)，制成ZnRhCuO陶瓷片為靶材，其中Zn、Rh、Cu三組分的原子比為1:2:0.5；
（2）采用脈沖激光沉積（PLD）方法，將襯底和靶材安裝在PLD反應(yīng)室中，抽真空至真空度9×10-4Pa；
（3）通入O2為工作氣體，氣體壓強(qiáng)10Pa，襯底溫度為25℃，以脈沖激光轟擊靶材，靶材表面原子和分子熔蒸后在襯底上沉積，形成一層薄膜，便得到p型ZnRh2Cu0.5O4.25非晶薄膜。
以石英為襯底，按照上述生長(zhǎng)步驟制得p型ZnRh2Cu0.5O4.25薄膜，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)、電學(xué)和光學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為：薄膜為非晶態(tài)，厚度43nm；具有p型導(dǎo)電特性，空穴濃度1013cm-3；可見光透過率87%。
實(shí)施例2
（1）以高純ZnO、Rh2O3和Cu2O粉末為原材料，混合，研磨，在1100℃的N2氣氛下燒結(jié)，制成ZnRhCuO陶瓷片為靶材，其中Zn、Rh、Cu三組分的原子比為1.5:2:1；
（2）采用脈沖激光沉積（PLD）方法，將襯底和靶材安裝在PLD反應(yīng)室中，抽真空至真空度9×10-4Pa；
（3）通入O2為工作氣體，氣體壓強(qiáng)12Pa，襯底溫度為250℃，以脈沖激光轟擊靶材，靶材表面原子和分子熔蒸后在襯底上沉積，形成一層薄膜，在100Pa的O2氣氛中自然冷卻到室溫，得到p型ZnRh2Cu0.5O4.25非晶薄膜。
以石英為襯底，按照上述生長(zhǎng)步驟制得p型Zn1.5Rh2CuO5薄膜，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)、電學(xué)和光學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為：薄膜為非晶態(tài)，厚度52nm；具有p型導(dǎo)電特性，空穴濃度1014cm-3；可見光透過率89%。
實(shí)施例3
（1）以高純ZnO、Rh2O3和Cu2O粉末為原材料，混合，研磨，在1050℃的N2氣氛下燒結(jié)，制成ZnRhCuO陶瓷片為靶材，其中Zn、Rh、Cu三組分的原子比為2:2:1；
（2）采用脈沖激光沉積（PLD）方法，將襯底和靶材安裝在PLD反應(yīng)室中，抽真空至真空度9×10-4Pa；
（3）通入O2為工作氣體，氣體壓強(qiáng)13Pa，襯底溫度為500℃，以脈沖激光轟擊靶材，靶材表面原子和分子熔蒸后在襯底上沉積，形成一層薄膜，在70Pa的O2氣氛中自然冷卻到室溫，得到p型Zn2Rh2CuO5.5非晶薄膜。
以石英為襯底，按照上述生長(zhǎng)步驟制得p型Zn2Rh2CuO5.5薄膜，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)、電學(xué)和光學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為：薄膜為非晶態(tài)，厚度67nm；具有p型導(dǎo)電特性，空穴濃度1015cm-3；可見光透過率91%。
上述各實(shí)施例中，使用的原料ZnO粉末、Rh2O3粉末和Cu2O粉末的純度均在99.99%以上。
本發(fā)明p型ZnRhCuO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜制備所使用的襯底，并不局限于實(shí)施例中的石英片，其它各種類型的襯底均可使用。
在p型ZnRhMO體系中，M為Cu、Ni、Sn中的一種。除M為Cu外，當(dāng)M為上述所述的其它元素時(shí)，也具有同樣的機(jī)理，具有類似的性質(zhì)，除ZnRhCuO之外的其它的p型ZnRhMO非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜同樣能用上述類似的方法與步驟進(jìn)行制備，所得的材料和器件具有類似的性能。