一種基于溶膠凝膠法的低溫制備氧化銦鎵鋅半導(dǎo)體薄膜的方法

浦海峰 張 群

(復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系 上海 200433)

　　摘要 非晶氧化物半導(dǎo)體因具有遷移率高、可見光透明性好、表面平整和可以室溫制備等優(yōu)良性能，作為非晶硅的替代材料受到廣泛的關(guān)注。利用氧化物半導(dǎo)體制作透明氧化物薄膜晶體管，實(shí)現(xiàn)了比非晶硅薄膜晶體管性能高出1-2 個(gè)數(shù)量級(jí)的結(jié)果。因此如果在AMLCD或AMOLED 中采用低溫透明氧化物半導(dǎo)體TFT 作為像素開關(guān)，將大大提高有源矩陣的開口率，從而提高亮度，降低功耗和減小工藝復(fù)雜性。這預(yù)示著氧化物TFT 在平板顯示和透明電子學(xué)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

　　現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中一般采用高真空沉積的方法來制備氧化物半導(dǎo)體薄膜，比如磁控濺射法、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積等。隨著顯示技術(shù)的發(fā)展，顯示器的尺寸越來越大，分辨率越來越高，隨之而來的就是呈幾何級(jí)數(shù)增長的生產(chǎn)成本。高昂的真空設(shè)備及運(yùn)轉(zhuǎn)成本幾乎成了制約氧化物TFT在大尺寸平板顯示領(lǐng)域發(fā)展的枷鎖。溶膠凝膠法是利用有機(jī)溶劑或水溶解相應(yīng)的金屬鹽類，在一定的溫度條件下攪拌形成穩(wěn)定的溶膠，并利用旋轉(zhuǎn)涂覆、噴墨打印、提拉、噴霧熱解等方法，沉積氧化物半導(dǎo)體薄膜。

　　溶膠凝膠法具有：可在大氣環(huán)境下制備、可應(yīng)用于大尺寸、制備設(shè)備簡單，對(duì)于多組分體系可精確控制其中各元素含量等優(yōu)點(diǎn)。但是溶膠凝膠法也有其先天不足，由于前驅(qū)體溶解在溶液中，且需一定的溫度條件才能分解得到所需要的氧化物，所以涂覆的液膜常常需要在400℃甚至更高的溫度下退火，才能得到性能較好的氧化物半導(dǎo)體薄膜。高的退火溫度不僅增加了功耗，而且限制了溶膠凝膠法在柔性基板上的應(yīng)用。有學(xué)者提出采用低分解溫度的前驅(qū)體、微波輔助退火等方法來降低工藝溫度。但是由于低分解溫度的前驅(qū)體非常不穩(wěn)定，稍有震動(dòng)即有可能發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)，且目前可選擇的低分解溫度前驅(qū)體太少價(jià)格過于昂貴。而微波輔助退火雖有效的降低了退火溫度，但是并未有效降低功耗，且退火工藝復(fù)雜。考慮到前驅(qū)體主題為有機(jī)物，而有機(jī)物分子的振動(dòng)光譜波長為50～1μm，位于紅外光區(qū)對(duì)紅外線具有強(qiáng)烈的吸收。紅外照射加劇分子振動(dòng)，更有利于有機(jī)溶劑的揮發(fā)，且工藝溫度更低，小于250℃。

　　本課題利用紅外加熱燈照射涂覆在玻璃基板的IGZO 溶膠凝膠液膜，獲得了表面平整、光電性能優(yōu)良的IGZO半導(dǎo)體薄膜。并以此為溝道層材料制備IGZO 薄膜晶體管，獲得了良好的器件性能：電流開關(guān)比大于5×106，飽和遷移率大于1.8 cm2/Vs，亞閾值擺幅小于2.2 V/dec。相較傳統(tǒng)的烘箱、熱板退火處理，紅外照射方法具有簡單、低溫、適合大面積生產(chǎn)的要求等特點(diǎn)，在大尺寸光電器件、柔性顯示領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。