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，在此類產品中具有至關重要的作用。為了提高現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，時間穩定性也較好。現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展，以及對電子產品性能要求的不斷提高，人們在傳統的透明導電氧化物薄膜的基礎上發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）薄膜表現出極大的優勢。其具有高亮度、高透射率、導電性和基材附著性良好、化學穩定性好的優點，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。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生碰撞，經過電離產生新的電子和氬離子。在電場的作用下，產生的新電子繼續向基片運動，并繼續與氧原子發生碰撞電離，而氬離子則飛向并轟擊陰極靶材，靶材由此發生濺射[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 反應熱蒸發法

真空蒸發法鍍膜也叫蒸發鍍，是早期發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，使之發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生反應。蒸氣冷凝凝聚成核，核在基板上生長并形成連續的薄膜，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。蒸發裝置的關鍵部件之一是用來加熱鍍料的蒸發源，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、良好的化學穩定性等優點，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的對比發現，ITZO中由于錫元素的存在，薄膜中的載流子濃度會更高[5]。ITZO的優良性能很快引起了人們的關注，促使人們從各個工藝參數如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，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和可見光區薄膜材料的透過率和反射率，并根據該測量結果計算薄膜材料的吸收系數和禁帶寬度。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?？傊?，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異性能來研制薄膜晶體管，特別是非晶態In-Ga-Zn-O（IGZO），已經得到深入的研究。常規使用的非晶態銦-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、表征手段及應用產經等內容，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可以調節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.