一种基于溶胶凝胶法的低温制备氧化铟镓锌半导体薄膜的方法

一种基于溶胶凝胶法的低温制备氧化铟镓锌半导体薄膜的方法

浦海峰 张 群

(复旦大学材料科学系 上海 200433)

　　摘要 非晶氧化物半导体因具有迁移率高、可见光透明性好、表面平整和可以室温制备等优良性能，作为非晶硅的替代材料受到广泛的关注。利用氧化物半导体制作透明氧化物薄膜晶体管，实现了比非晶硅薄膜晶体管性能高出1-2 个数量级的结果。因此如果在AMLCD或AMOLED 中采用低温透明氧化物半导体TFT 作为像素开关，将大大提高有源矩阵的开口率，从而提高亮度，降低功耗和减小工艺复杂性。这预示着氧化物TFT 在平板显示和透明电子学等领域具有良好的应用前景。

　　现实生产中一般采用高真空沉积的方法来制备氧化物半导体薄膜，比如磁控溅射法、等离子体增强化学气相沉积等。随着显示技术的发展，显示器的尺寸越来越大，分辨率越来越高，随之而来的就是呈几何级数增长的生产成本。高昂的真空设备及运转成本几乎成了制约氧化物TFT在大尺寸平板显示领域发展的枷锁。溶胶凝胶法是利用有机溶剂或水溶解相应的金属盐类，在一定的温度条件下搅拌形成稳定的溶胶，并利用旋转涂覆、喷墨打印、提拉、喷雾热解等方法，沉积氧化物半导体薄膜。

　　溶胶凝胶法具有：可在大气环境下制备、可应用于大尺寸、制备设备简单，对于多组分体系可精确控制其中各元素含量等优点。但是溶胶凝胶法也有其先天不足，由于前驱体溶解在溶液中，且需一定的温度条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℃甚至更高的温度下退火，才能得到性能较好的氧化物半导体薄膜。高的退火温度不仅增加了功耗，而且限制了溶胶凝胶法在柔性基板上的应用。有学者提出采用低分解温度的前驱体、微波辅助退火等方法来降低工艺温度。但是由于低分解温度的前驱体非常不稳定，稍有震动即有可能发生爆炸的危险，且目前可选择的低分解温度前驱体太少价格过于昂贵。而微波辅助退火虽有效的降低了退火温度，但是并未有效降低功耗，且退火工艺复杂。考虑到前驱体主题为有机物，而有机物分子的振动光谱波长为50～1μm，位于红外光区对红外线具有强烈的吸收。红外照射加剧分子振动，更有利于有机溶剂的挥发，且工艺温度更低，小于250℃。

　　本课题利用红外加热灯照射涂覆在玻璃基板的IGZO 溶胶凝胶液膜，获得了表面平整、光电性能优良的IGZO半导体薄膜。并以此为沟道层材料制备IGZO 薄膜晶体管，获得了良好的器件性能：电流开关比大于5×106，饱和迁移率大于1.8 cm2/Vs，亚阈值摆幅小于2.2 V/dec。相较传统的烘箱、热板退火处理，红外照射方法具有简单、低温、适合大面积生产的要求等特点，在大尺寸光电器件、柔性显示领域具有潜在的应用前景。