p型金屬氧化物半導(dǎo)體材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種p型金屬氧化物半導(dǎo)體材料，具有化學(xué)式：In1-xGa1-yMx+yZnO4+m，其中M為鈣（Ca）、鎂（Mg）或銅（Cu），0<x+y≦0.1，0≦m≦3，且0<x，0≦y或0≦x，0<y，其中該p型金屬氧化物半導(dǎo)體材料的空穴載流子濃度介于1×1015～6×1019cm-3之間。
【專利說明】P型金屬氧化物半導(dǎo)體材料
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬氧化物半導(dǎo)體材料，且特別涉及一種P型氧化銦鎵鋅系的金屬氧化物半導(dǎo)體材料。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著顯示技術(shù)的快速發(fā)展，各種新世代的產(chǎn)品及材料也應(yīng)運(yùn)而生。在這些產(chǎn)品中，透明顯示器(transparent display)因具有可透光性、商品互動(dòng)特性等特點(diǎn),近年來其相關(guān)技術(shù)備受矚目。其中，氧化銦鎵鋅(indium gallium zinc oxide,IGZ0)為一種可用以制作透明薄膜晶體管的金屬氧化物半導(dǎo)體材料，與利用非晶硅材料所制作的薄膜晶體管相比，藉由將利用氧化銦鎵鋅系的透明金屬氧化物半導(dǎo)體材料所制作的薄膜晶體管與顯示技術(shù)結(jié)合，可縮小薄膜晶體管尺寸、提高像素開口率、實(shí)現(xiàn)高精細(xì)化、提高分辨率、以及提供較快的載流子(例如電子)遷移率。再者，亦可將簡(jiǎn)單的外部電路整合至顯示器中，使電子裝置更加輕薄并降低耗電量。
[0003]若將氧化銦鎵鋅系的η型透明金屬氧化物半導(dǎo)體材料及P型透明金屬氧化物半導(dǎo)體材料結(jié)合，不僅可實(shí)現(xiàn)透明互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體組件(CMOS )、透明智能窗(smartwindow)等應(yīng)用，亦可將其它例如變頻器(inverter)、發(fā)光二極管等裝置制作為透明狀態(tài)。然而，目前所研發(fā)出的氧化銦鎵鋅系的透明金屬氧化物半導(dǎo)體材料仍以η型透明金屬氧化物半導(dǎo)體材料為主。
[0004]因此，急需尋求一種新的氧化銦鎵鋅系的P型透明金屬氧化物半導(dǎo)體材料，其能夠解決上述的問題，以提供透明金屬氧化物半導(dǎo)體更多的應(yīng)用空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種P型金屬氧化物半導(dǎo)體材料，具有化學(xué)式:IrvxGa1IMj^yZnCVm,其中 M 為鈣(Ca)、鎂(Mg)或銅(Cu)，0〈x+y ^ 0.1,0 ^ m ^ 3，且 0〈x，0 蘭 y 或 O 蘭 x，0〈y，其中P型金屬氧化物半導(dǎo)體材料的空穴載流子濃度(hole carrier concentration)介于IXlO15 ~6 X IO19CnT3 之間。
[0006]為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉出較佳實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下:
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1A~IF示出了本發(fā)明中不同摻雜元素的氧化銦鎵鋅系的金屬氧化物半導(dǎo)體材料的模擬計(jì)算結(jié)果。
[0008]圖2示出了本發(fā)明中鈣取代銦的鈣摻雜氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料的數(shù)個(gè)實(shí)施例的空穴載流子濃度測(cè)量結(jié)果。
[0009]圖3示出了本發(fā)明中鈣取代銦的鈣摻雜氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料的數(shù)個(gè)實(shí)施例的電阻率測(cè)量結(jié)果。[0010]圖4示出了本發(fā)明中鈣取代銦的鈣摻雜氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料的數(shù)個(gè)實(shí)施例的空穴載流子遷移率測(cè)量結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0011]本發(fā)明提供數(shù)個(gè)實(shí)施例以說明本發(fā)明的技術(shù)特征，實(shí)施例的內(nèi)容及繪制的圖式僅作為例示說明之用，并非用以限縮本發(fā)明保護(hù)范圍。
[0012]本發(fā)明一實(shí)施例提供一種P型金屬氧化物半導(dǎo)體材料，具有化學(xué)式:InhGahMx+yZnO^，其中 M 為鈣(Ca)、鎂(Mg)或銅(Cu)，0〈x+y ^ 0.1,0 ^ m ^ 3，且 0〈x，O ^ y或O含x，0〈y,其中上述P型金屬氧化物半導(dǎo)體材料的空穴載流子濃度(hole carrierconcentration)介于 I X IO15 ~6 X IO19CnT3 之間。
[0013]本發(fā)明的實(shí)施例是先藉由模擬計(jì)算，得到將鈣、鎂、銅等元素?fù)诫s于氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料中可形成P型金屬氧化物半導(dǎo)體的初步計(jì)算結(jié)果，再利用軟化學(xué)法分別合成摻雜有鈣、鎂、或銅的P型氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料。
[0014]首先針對(duì)模擬計(jì)算的過程說明如下。本發(fā)明是利用全始量子分子動(dòng)力學(xué)仿真軟件套件(VASP, Vienna Ab-1nitio Simulation Package)計(jì)算在氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料中摻雜不同元素時(shí)，其能態(tài)密度(D0S，Density of States)對(duì)能量的變化關(guān)系，并將其結(jié)果示于圖1A~IF中。
[0015]圖1A為摻雜鈣的氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料經(jīng)VASP仿真所得的能態(tài)密度對(duì)能量關(guān)系圖，經(jīng)由模擬計(jì)算可知此摻雜鈣的氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料的費(fèi)米能級(jí)(EF,Fermi level)降至價(jià)電帶(VB, valence band)處,故其應(yīng)為一 p型金屬氧化物半導(dǎo)體材料。需注意的是，圖1A中設(shè)定鈣原子半數(shù)取代氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料中的銦原子(即，Ina5GaCaa5ZnO4),是因?yàn)閷?shí)際上在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，為避免計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)過于龐大、耗時(shí)過久等問題，通常會(huì)先以半數(shù)取代的條件針對(duì)選定的摻雜物進(jìn)行初步的模擬計(jì)算，待確認(rèn)此摻雜物的初步計(jì)算結(jié)果后，再實(shí)際合成并調(diào)整摻雜物比例，以驗(yàn)證模擬結(jié)果，并非代表此摻雜物需在半數(shù)取代的條件下才可使氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料展現(xiàn)P型半導(dǎo)體材料的特性。圖1B~IC分別為摻雜鎂的氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料及摻雜銅的氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料藉由VASP模擬所得的結(jié)果，其中在摻雜鎂的氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料中，將鎂原子設(shè)定為半數(shù)取代氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料中的銦原子(即，I%5GaMga5Zn04)，在摻雜銅的氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料中，將銅原子設(shè)定為半數(shù)取代氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料中的銦原子(即，In0.5GaC%5Zn04)o由圖1B~IC的模擬計(jì)算結(jié)果可知，由于上述半數(shù)取代銦原子的摻雜鎂的氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料及摻雜銅的氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料的費(fèi)米能級(jí)降至價(jià)電帶處，故其亦應(yīng)為一 P型金屬氧化物半導(dǎo)體材料。
[0016]圖1D~IF亦為摻雜鈣、鎂、銅的氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料藉由VASP模擬所得的結(jié)果，但此處在摻雜鈣的氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料中，將鈣原子設(shè)定為半數(shù)取代氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料中的鎵原子(即，InGaa5Caa5ZnO4)，在摻雜鎂的氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料中，將鎂原子設(shè)定為半數(shù)取代氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料中的鎵原子(即，InGaa5Mga5ZnO4),在摻雜銅的氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料中，將銅原子設(shè)定為半數(shù)取代氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料中的鎵原子卿，InGaa5Cua5ZnO4X由圖1D~IF的模擬計(jì)算結(jié)果可知，由于上述半數(shù)取代鎵原子的摻雜鈣的氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料、摻雜鎂的氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料及摻雜銅的氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料的費(fèi)米能級(jí)亦降至價(jià)電帶處，故其亦應(yīng)為一 P型金屬氧化物半導(dǎo)體材料。
[0017]隨后，根據(jù)上述仿真結(jié)果，利用軟化學(xué)法分別合成摻雜有不同含量的鈣、鎂、銅的氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料。
[0018]在一實(shí)施例中，此合成方法是先混合(1-X)摩爾份的銦鹽、(Ι-y)摩爾份的鎵鹽、I摩爾份的鋅鹽、(χ+y)摩爾份的摻雜金屬鹽(例如鈣、鎂、或銅的鹽類)、及螯合劑于一溶液中，其中0〈x+y ^ 0.1，且0〈x，0蘭y或O蘭x，0〈y，并于常溫下混合60~70分鐘，以形成一包含銦、鎵、鋅、及摻雜金屬的絡(luò)合物的溶液，其中各金屬鹽可使用包含銦、鎵、鋅、或摻雜金屬的硝酸鹽或檸檬酸鹽，螯合劑可使用酒石酸(tartaric acid)。接著,升溫至155°C~175°C，蒸發(fā)溶液中的液體使溶液成為凝膠態(tài)，再將其干燥成粉狀，繼而進(jìn)行燒結(jié)步驟使金屬絡(luò)合物氧化，以形成金屬氧化物粉體。之后，可進(jìn)行陶瓷工藝的模壓、射出、冷等靜壓(CIP, cold isostatic press)、注衆(zhòng)等相關(guān)工藝,并進(jìn)行燒結(jié)和機(jī)械加工工藝，以制作摻雜的氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料(例如，IrvxGahMj^yZnCVm，其中M為鈣(Ca)、鎂(Mg)或銅(Cu),0〈x+y蘭0.1,0蘭m蘭3,且0〈x,O蘭y或O蘭x,0<y)的塊材或革巴材。
[0019]在形成上述塊材或靶材后，可藉由濺鍍等方法，形成摻雜的氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料的薄膜，以應(yīng)用于電子裝置(例如透明顯示器、透明場(chǎng)效晶體管、發(fā)光二極管、透明集成電路半導(dǎo)體組件)的制作。
[0020]實(shí)施例1~7:鈣取代銦的鈣摻雜氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料
[0021]首先，在保持金屬總含量為0.5mol的條件下，將0.167mol的鎵鹽(Ga(NO3)3)、
0.167mol的鋅鹽(Zn(NO3)2)以及依照表1的化學(xué)劑量所分別秤取的數(shù)種含量比例的銦鹽(In(NO3)3)及鈣鹽(Ca(NO3)2)加入濃度為1.4N的硝酸(HNO3)水溶液中，并加入0.55mol的酒石酸作為螯合劑，于常溫下混合I小時(shí)，以合成本發(fā)明的實(shí)施例1~7。上述反應(yīng)是在混合金屬離子析出后，藉由螯合劑將銦、鎵、鋅、鈣結(jié)合而形成一金屬絡(luò)合物。
[0022]隨后，升溫至155°C，蒸發(fā)溶液中的液體使溶液成為凝膠態(tài)，并進(jìn)行干燥步驟將其干燥成粉狀，繼而進(jìn)行燒結(jié)步驟使上述金屬絡(luò)合物氧化以形成金屬氧化物半導(dǎo)體粉體，此金屬氧化物半導(dǎo)體具有IrvxGahCaj^yZnCVm的化學(xué)式，其中0.0005 ^ x ^ 0.1, y=0,O芻m芻3。
[0023]接著，進(jìn)行陶瓷工藝的模壓、射出、冷等靜壓、注漿等相關(guān)工藝，以制作鈣取代銦的鈣摻雜氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料的塊材或靶材。
[0024]藉由對(duì)合成出的鈣摻雜氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體塊材或靶材進(jìn)行能量彌散X射線譜(Energy-Dispersive X-Ray Spectroscopy,EDS)分析,可得到各成份元素的含量。其中，鈣摻雜氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料中金屬成份元素的含量(摩爾比)如表1所示，非金屬成份元素的氧的含量(摩爾比)在實(shí)施例1~7中則落在O = m = 3的范圍內(nèi)。例如，在實(shí)施例5中，藉由能量彌散X射線譜分析，可得到鈣摻雜氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體材料中各成份元素的摩爾比為In:Ca:Ga:Zn:0=0.995:0.005:1:1:6。
[0025]再者，藉由對(duì)合成出的鈣摻雜氧化銦鎵鋅系金屬氧化物半導(dǎo)體塊材或靶材進(jìn)行霍爾測(cè)量(Hall measurement),可得到|丐摻雜氧化銦鎵鋅系金屬氧化物的主要載流子型態(tài)、載流子濃度、電阻率、載流子遷移率等特性，如表1及圖2~4圖所示?；魻枩y(cè)量使用的是Nano Metrics 生產(chǎn)的 HL5550LN2Cryostat 霍爾測(cè)量?jī)x。
[0026]表1
[0027]
【權(quán)利要求】
1.一種P型金屬氧化物半導(dǎo)體材料，具有化學(xué)式:IrvxGahMtyZnCVm，其中M為鈣(Ca)、鎂(Mg)或銅(Cu)，0〈x+y ^ 0.1,0 ^ m ^ 3，且 0〈x，0 蘭 y 或 O 蘭 x，0〈y，其中該 p 型金屬氧化物半導(dǎo)體材料的空穴載流子濃度介于I X IO15~6 X IO19CnT3之間。
2.權(quán)利要求1所述的P型金屬氧化物半導(dǎo)體材料，其中M為鈣(Ca)，0.0005 ^ 0.1,y=0o
3.權(quán)利要求1所述的P型金屬氧化物半導(dǎo)體材料，其中M為鎂(Mg)，.0.001 =X = 0.005，y=0o
4.權(quán)利要求1所述的P型金屬氧化物半導(dǎo)體材料，其中M為銅(Cu)，0.001 ^ X ^ 0.1,y=0o
5.權(quán)利要求1所述的P型金屬氧化物半導(dǎo)體材料，其中M為鎂(Mg),x=0,.0.001 ^ y ^ 0.1。
6.權(quán)利要求1所述的P型金屬氧化物半導(dǎo)體材料，其中M為銅(Cu),x=0,.0.025 芻 y 芻 0.1。
【文檔編號(hào)】H01L29/26GK103715234SQ201310447540
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月28日
【發(fā)明者】周子琪, 邱國(guó)創(chuàng), 彭秀珠, 邱顯浩, 謝玉慈 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院