ITZO薄膜制备工艺的研究进展

张世亮 孙源爽 孙珲 杨涛繁

摘 要：近年来，人类社会加速进入信息化时代，可穿戴设备等各类光电器件在生活实践中逐渐推广普及。透明导电氧化物薄膜，即TCO薄膜，作为光电器件制备的关键材料，在此类产品中具有至关重要的作用。为了提高现有透明导电薄膜材料的光电性能，大量的新型透明导电材料，如ITZO，被开发出来。文章介绍了ITZO透明导电材料的研究背景，阐述透明导电薄膜的四种制备方法，并对ITZO薄膜的光电性能和应用进行了分析。

关键词：透明导电薄膜;ITZO;薄膜制备工艺;薄膜晶体管

中图分类号：TB383 文献标识码：A

宽带隙、良好的导电性、光学透明度高等是良好的透明导电氧化物（TCOs）所具备的优点，其可以广泛应用于多种光电器件中，如太阳能电池、气体敏感器件、薄膜晶体管（TFT）、平板液晶显示器、LED显示屏等[1]。掺杂的氧化铟、氧化锡和氧化锌系统具有良好的光学性质和电学性质，能够在较低温度下制备，时间稳定性也较好。现在的透明导电氧化物薄膜一般由其掺杂化合物制成。随着电子科技的不断发展，以及对电子产品性能要求的不断提高，人们在传统的透明导电氧化物薄膜的基础上发掘了新型的非晶透明氧化物半导体。其中，ITZO（非晶铟锡锌氧化物）薄膜表现出极大的优势。其具有高亮度、高透射率、导电性和基材附着性良好、化学稳定性好的优点，在未来的光电器件应用中具有极大的潜力[2]。

1 透明导电薄膜的光电性能

对于传统的半导体材料，薄膜的透明性与导电性不可兼得。如对于金属导体的传导，大量的自由电子可以在金属导体中自由移动，在电场力的作用下，这些自由电子定向移动形成电流。然而，这些自由电子浓度极高，对可见光具有强烈的反射作用，所以金属是不透明状态。而对于金属氧化物，其中自由电子的浓度大幅降低，当半导体材料的带隙宽度大于可见光子能量（3.1eV），薄膜允许可见光透过，呈现出较好的透光性[3]。然而，由于自由电子浓度的降低，本征的氧化物半导体导电性并不理想。通过掺杂手段，可以在氧化物半导体的禁带中引入施主能级或受主能级，进而改善氧化物半导体的电学性质，以解决材料透明性与导电性不能兼顾的问题。ITZO正是这样一种半导体材料，其通过向宽禁带ZnO基底中掺杂In、Sn元素，形成施主能级缺陷，释放电子，从而提高透明ZnO的导电性能，获得兼具可见光高透过率和室温高导电性的透明导电材料。

2 透明导电薄膜的制备方法

透明导电薄膜在可见光范围（400～800nm）内具有高于80%的平均透射率、电阻率低于10-3Ω·cm。目前，科研工作者通过多种方法制得了透明导电薄膜，如磁控溅射法、反应热蒸发法、脉冲激光沉积法、溶胶凝胶法等，其中最为常用的便是磁控溅射法和蒸发法。下面对这两种方法进行简单介绍。

2.1 磁控溅射法

在磁控溅射技术中，电子在电场的作用下飞向基板。在此过程中，电子与氩原子不断发生碰撞，经过电离产生新的电子和氩离子。在电场的作用下，产生的新电子继续向基片运动，并继续与氧原子发生碰撞电离，而氩离子则飞向并轰击阴极靶材，靶材由此发生溅射[4]。在溅射的过程中，中性靶原子沉积在基片上并逐渐形成连续的薄膜。磁控溅射制膜的膜基结合力较强，所制成的膜层致密均匀且所需的镀膜材料来源广泛，沉积温度低。利用该方法制成的薄膜类型多样、溅射速率快且可以有效契合地与衬底相结合，这些优势使得磁控溅射成为当今制备透明导电薄膜的主流方法。

2.2 反应热蒸发法

真空蒸发法镀膜也叫蒸发镀，是早期发展出的基本镀膜技术。其方法是在空气稀薄的真空条件下，将固相原材料加熱蒸发，使之发生气化反应并输运至基板。在输运过程中，气化的分子或原子与气体分子碰撞发生反应。蒸气冷凝凝聚成核，核在基板上生长并形成连续的薄膜，完成气相到固相的转变。该方法需要的设备比较简单、操作相对容易，获得薄膜效率高，薄膜纯度也高。蒸发装置的关键部件之一是用来加热镀料的蒸发源，常用的加热方式有电阻加热、高频感应加热、电子束加热等。

3 透明导电薄膜的性能表征

在透明导电氧化物薄膜中，由于具有高透过率、低电阻率、低沉积温度、良好的表面粗糙度、良好的化学稳定性等优点，非晶铟镓氧化锌薄膜（IGZO）和非晶铟锡氧化锌薄膜（ITZO）逐渐成为研究的热点。在研究过程中，研究者通过对IGZO与ITZO的对比发现，ITZO中由于锡元素的存在，薄膜中的载流子浓度会更高[5]。ITZO的优良性能很快引起了人们的关注，促使人们从各个工艺参数如Zn掺杂浓度、Sn含量、制备温度、氮掺杂等对薄膜性能的影响出发，对ITZO薄膜展开更加深入的研究。在这个过程中，常用的薄膜光电性能测试方法包括以下几种。

3.1 四点探针法

四点探针法是测量薄层电阻的常用方法。其通过四个等距的金属探针接触样品表面，外边的两个探针通直流电流，中间两个探针之间的电压降由电位差计测量。由所测得的电流和电压，利用关于样品和探针几何结构的适当校正因子，可以较为方便地计算薄层电阻。其显著特点是不需要校准，甚至可以为其他方法测量电阻率进行校准。

3.2 紫外-可见分光光度计

紫外-可见分光光度计主要用来测量薄膜在近紫外光区和可见光区薄膜材料的透过率和反射率，并根据该测量结果计算薄膜材料的吸收系数和禁带宽度。同时，对于均匀的薄膜材料，测得的透过率或反射率曲线还可以用来推算薄膜的厚度。总之，紫外-可见分光光度计是测量薄膜材料光学性能的十分有效的测试手段。

4 ITZO薄膜晶体管

薄膜晶体管（TFT）是有源矩阵平板显示器的关键器件，广泛应用于手机、台式电脑和笔记本电脑等显示设备。由于TFT具备高对比度、高响应度和高亮度的优点，使TFT显示器成为主要的LCD彩色显示器之一[6]。在过去的十余年中，基于非晶半导体氧化物的优异性能来研制薄膜晶体管，特别是非晶态In-Ga-Zn-O（IGZO），已经得到深入的研究。常规使用的非晶态铟-镓-锌氧化物（IGZO）TFT具有典型的场效应迁移率。然而，IGZO易溶于弱酸，并且使用背面很难制造非晶IGZO TFT沟道蚀刻工艺。此外，非晶IGZO TFT的场效应迁移率仍然不足以以高帧率驱动具有超高分辨率的显示器。同时，IGZO的电稳定性不足，而这却是新时代显示器所必需的性能。非晶ITZO薄膜晶体管具有更高的场效应迁移率，因而具有更佳的性能，其引起了人们的广泛关注，可以用作IGZO TFT的替代品[7]。通过用化学稳定的SnO2代替IGZO靶中的Ga2O3，可以获得具有高蚀刻能力的非晶ITZO膜。

5 結语

文章通过介绍透明导电氧化物的背景——包括其制备方法、表征手段及应用产经等内容，了解了ITZO薄膜的基本光电性能和应用。通过对ITZO薄膜制备方法的介绍认识其工艺流程，在制造过程中通过改变工艺参数可以调节ITZO薄膜的光学与电学性能。通过文章的介绍，有助于读者对ITZO薄膜有初步的了解，对该类透明导电薄膜的制备、表征与应用有更加深入的认识。

参考文献

[1] 王华.透明导电氧化物薄膜及其制备方法[J].材料工程，2005（9）：59-63.

[2] 童杨.非晶铟锡锌氧化物薄膜的制备及特性研究[D].威海：山东大学，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.