ITZO薄膜制備工藝的研究進展

張世亮 孫源爽 孫琿 楊濤繁

摘 要：近年來，人類社會加速進入信息化時代，可穿戴設備等各類光電器件在生活實踐中逐漸推廣普及。透明導電氧化物薄膜，即TCO薄膜，作為光電器件制備的關鍵材料，在此類產(chǎn)品中具有至關重要的作用。為了提高現(xiàn)有透明導電薄膜材料的光電性能，大量的新型透明導電材料，如ITZO，被開發(fā)出來。文章介紹了ITZO透明導電材料的研究背景，闡述透明導電薄膜的四種制備方法，并對ITZO薄膜的光電性能和應用進行了分析。

關鍵詞：透明導電薄膜;ITZO;薄膜制備工藝;薄膜晶體管

中圖分類號：TB383 文獻標識碼：A

寬帶隙、良好的導電性、光學透明度高等是良好的透明導電氧化物（TCOs）所具備的優(yōu)點，其可以廣泛應用于多種光電器件中，如太陽能電池、氣體敏感器件、薄膜晶體管（TFT）、平板液晶顯示器、LED顯示屏等[1]。摻雜的氧化銦、氧化錫和氧化鋅系統(tǒng)具有良好的光學性質和電學性質，能夠在較低溫度下制備，時間穩(wěn)定性也較好。現(xiàn)在的透明導電氧化物薄膜一般由其摻雜化合物制成。隨著電子科技的不斷發(fā)展，以及對電子產(chǎn)品性能要求的不斷提高，人們在傳統(tǒng)的透明導電氧化物薄膜的基礎上發(fā)掘了新型的非晶透明氧化物半導體。其中，ITZO（非晶銦錫鋅氧化物）薄膜表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。其具有高亮度、高透射率、導電性和基材附著性良好、化學穩(wěn)定性好的優(yōu)點，在未來的光電器件應用中具有極大的潛力[2]。

1 透明導電薄膜的光電性能

對于傳統(tǒng)的半導體材料，薄膜的透明性與導電性不可兼得。如對于金屬導體的傳導，大量的自由電子可以在金屬導體中自由移動，在電場力的作用下，這些自由電子定向移動形成電流。然而，這些自由電子濃度極高，對可見光具有強烈的反射作用，所以金屬是不透明狀態(tài)。而對于金屬氧化物，其中自由電子的濃度大幅降低，當半導體材料的帶隙寬度大于可見光子能量（3.1eV），薄膜允許可見光透過，呈現(xiàn)出較好的透光性[3]。然而，由于自由電子濃度的降低，本征的氧化物半導體導電性并不理想。通過摻雜手段，可以在氧化物半導體的禁帶中引入施主能級或受主能級，進而改善氧化物半導體的電學性質，以解決材料透明性與導電性不能兼顧的問題。ITZO正是這樣一種半導體材料，其通過向寬禁帶ZnO基底中摻雜In、Sn元素，形成施主能級缺陷，釋放電子，從而提高透明ZnO的導電性能，獲得兼具可見光高透過率和室溫高導電性的透明導電材料。

2 透明導電薄膜的制備方法

透明導電薄膜在可見光范圍（400～800nm）內(nèi)具有高于80%的平均透射率、電阻率低于10-3Ω·cm。目前，科研工作者通過多種方法制得了透明導電薄膜，如磁控濺射法、反應熱蒸發(fā)法、脈沖激光沉積法、溶膠凝膠法等，其中最為常用的便是磁控濺射法和蒸發(fā)法。下面對這兩種方法進行簡單介紹。

2.1 磁控濺射法

在磁控濺射技術中，電子在電場的作用下飛向基板。在此過程中，電子與氬原子不斷發(fā)生碰撞，經(jīng)過電離產(chǎn)生新的電子和氬離子。在電場的作用下，產(chǎn)生的新電子繼續(xù)向基片運動，并繼續(xù)與氧原子發(fā)生碰撞電離，而氬離子則飛向并轟擊陰極靶材，靶材由此發(fā)生濺射[4]。在濺射的過程中，中性靶原子沉積在基片上并逐漸形成連續(xù)的薄膜。磁控濺射制膜的膜基結合力較強，所制成的膜層致密均勻且所需的鍍膜材料來源廣泛，沉積溫度低。利用該方法制成的薄膜類型多樣、濺射速率快且可以有效契合地與襯底相結合，這些優(yōu)勢使得磁控濺射成為當今制備透明導電薄膜的主流方法。

2.2 反應熱蒸發(fā)法

真空蒸發(fā)法鍍膜也叫蒸發(fā)鍍，是早期發(fā)展出的基本鍍膜技術。其方法是在空氣稀薄的真空條件下，將固相原材料加熱蒸發(fā)，使之發(fā)生氣化反應并輸運至基板。在輸運過程中，氣化的分子或原子與氣體分子碰撞發(fā)生反應。蒸氣冷凝凝聚成核，核在基板上生長并形成連續(xù)的薄膜，完成氣相到固相的轉變。該方法需要的設備比較簡單、操作相對容易，獲得薄膜效率高，薄膜純度也高。蒸發(fā)裝置的關鍵部件之一是用來加熱鍍料的蒸發(fā)源，常用的加熱方式有電阻加熱、高頻感應加熱、電子束加熱等。

3 透明導電薄膜的性能表征

在透明導電氧化物薄膜中，由于具有高透過率、低電阻率、低沉積溫度、良好的表面粗糙度、良好的化學穩(wěn)定性等優(yōu)點，非晶銦鎵氧化鋅薄膜（IGZO）和非晶銦錫氧化鋅薄膜（ITZO）逐漸成為研究的熱點。在研究過程中，研究者通過對IGZO與ITZO的對比發(fā)現(xiàn)，ITZO中由于錫元素的存在，薄膜中的載流子濃度會更高[5]。ITZO的優(yōu)良性能很快引起了人們的關注，促使人們從各個工藝參數(shù)如Zn摻雜濃度、Sn含量、制備溫度、氮摻雜等對薄膜性能的影響出發(fā)，對ITZO薄膜展開更加深入的研究。在這個過程中，常用的薄膜光電性能測試方法包括以下幾種。

3.1 四點探針法

四點探針法是測量薄層電阻的常用方法。其通過四個等距的金屬探針接觸樣品表面，外邊的兩個探針通直流電流，中間兩個探針之間的電壓降由電位差計測量。由所測得的電流和電壓，利用關于樣品和探針幾何結構的適當校正因子，可以較為方便地計算薄層電阻。其顯著特點是不需要校準，甚至可以為其他方法測量電阻率進行校準。

3.2 紫外-可見分光光度計

紫外-可見分光光度計主要用來測量薄膜在近紫外光區(qū)和可見光區(qū)薄膜材料的透過率和反射率，并根據(jù)該測量結果計算薄膜材料的吸收系數(shù)和禁帶寬度。同時，對于均勻的薄膜材料，測得的透過率或反射率曲線還可以用來推算薄膜的厚度。總之，紫外-可見分光光度計是測量薄膜材料光學性能的十分有效的測試手段。

4 ITZO薄膜晶體管

薄膜晶體管（TFT）是有源矩陣平板顯示器的關鍵器件，廣泛應用于手機、臺式電腦和筆記本電腦等顯示設備。由于TFT具備高對比度、高響應度和高亮度的優(yōu)點，使TFT顯示器成為主要的LCD彩色顯示器之一[6]。在過去的十余年中，基于非晶半導體氧化物的優(yōu)異性能來研制薄膜晶體管，特別是非晶態(tài)In-Ga-Zn-O（IGZO），已經(jīng)得到深入的研究。常規(guī)使用的非晶態(tài)銦-鎵-鋅氧化物（IGZO）TFT具有典型的場效應遷移率。然而，IGZO易溶于弱酸，并且使用背面很難制造非晶IGZO TFT溝道蝕刻工藝。此外，非晶IGZO TFT的場效應遷移率仍然不足以以高幀率驅動具有超高分辨率的顯示器。同時，IGZO的電穩(wěn)定性不足，而這卻是新時代顯示器所必需的性能。非晶ITZO薄膜晶體管具有更高的場效應遷移率，因而具有更佳的性能，其引起了人們的廣泛關注，可以用作IGZO TFT的替代品[7]。通過用化學穩(wěn)定的SnO2代替IGZO靶中的Ga2O3，可以獲得具有高蝕刻能力的非晶ITZO膜。

5 結語

文章通過介紹透明導電氧化物的背景——包括其制備方法、表征手段及應用產(chǎn)經(jīng)等內(nèi)容，了解了ITZO薄膜的基本光電性能和應用。通過對ITZO薄膜制備方法的介紹認識其工藝流程，在制造過程中通過改變工藝參數(shù)可以調節(jié)ITZO薄膜的光學與電學性能。通過文章的介紹，有助于讀者對ITZO薄膜有初步的了解，對該類透明導電薄膜的制備、表征與應用有更加深入的認識。

參考文獻

[1] 王華.透明導電氧化物薄膜及其制備方法[J].材料工程，2005（9）：59-63.

[2] 童楊.非晶銦錫鋅氧化物薄膜的制備及特性研究[D].威海：山東大學，2015.

[3] Chenhao Jin.Effect of rapid thermal annealing on the properties of spin-coated In-Zn-Sn-O films[J].Current Applied Physics，2013（13）：S177-S181.

[4] Damisih.Effect of Composition on Transparent Conducting Indium Zinc Tin Oxide Thin Films Deposited by RF Magnetron Sputtering[J].Nanoelectronics and Optoelectronics，2012（5）：483-487.

[5] Xinzhi WANG.Deposition of IGZO or ITZO thin films by co-sputtering of IZO and GZO or ITO targets[J].Trans Tech，2015（1110）：197-202.

[6] Mitsuru Nakata.DC sputtered amorphous In–Sn–Zn–O thin-film transistors： Electrical properties and stability[J].Solid-State Electronics，2016（116）：22-29.

[7] Mutsumi Kimura.Pseudo-CMOS Circuits using Amorphous In-Sn-Zn-O Thin-Film Transistors[J].SID Symposium Digest of Technical Papers，2014（45）：960-963.