基于透明薄膜晶体管应用的SrTiO3透明半导体薄膜制备及其光电性能研究

Up to now,the electrical properties and stability of SrTiO3 transparent semiconductor thin films prepared by many research teams are not ideal,and its performance can not meet the requirment of the transparent SrTiO3-TFT devices. In this project, the theoretical model of semiconductor doped SrTiO3 transparent semiconductor thin films is bulit by the first-principles calculations based on the density functional theory.This theoretical model can reflect the relationship between the process parameters such as components,microstrucure,doping element,doping concentration of the thin film and so on, and the electrical conductivity and optical performance of the semiconductor doped SrTiO3 thin films.The electronic structure and the photoelectric properties of the SrTiO3 transparent semiconductor thin films are also calculated to reveal the effect of the microstructure of the thin films on the photoelectric performance.Meanwhile, the SrTiO3 transparent semiconductor thin films are prepared by the sol-gel method.By introducing the surfactant and the mineralizer,together with adjusting the PH value of the as-prepared sol systems, analysising of obtained experimental test results of the microstructure of the SrTiO3 transparent semiconductor thin films, the electrical conductivity of the as-prepared SrTiO3 transparent semiconductor thin films can be modulated. Finally, the optimized process parameters can also be obtained. Our above work can provide experimental and theoretical guide for the designing of the high quality transparent SrTiO3-TFT devices.

目前各研究小组所制备的SrTiO3 透明半导体薄膜，其电学性能和稳定性仍不理想，不能满足高性能全透明SrTiO3-TFT器件的要求。本项目采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，建立反映薄膜的组分、微结构、价态以及不同的掺杂元素、掺杂浓度等 因素与薄膜电导率及光学性质关系的理论模型，计算半导化掺杂SrTiO3 透明半导体薄膜的电子结构及光电性质，揭示薄膜的微观结构对薄膜光、电性能调制的微观机理；采用溶胶凝胶法制备高质量SrTiO3 透明半导体薄膜，通过引入表面活性剂和矿化剂，同时匹配调节体系PH 值，并结合对薄膜材料微观结构的实验测试分析，实现SrTiO3 透明半导体薄膜电导率的可控调制，获得制备高质量SrTiO3 透明半导体薄膜的优化工艺，为设计和开发高性能全透明SrTiO3-TFT器件提供实验和理论指导。

二十一世纪在显示领域是平板显示的时代，以薄膜晶体管(TFT) 为开关元件的有源矩阵驱动平板显示器件是众多平板显示技术中的佼佼者。SrTiO3 是一种钙钛矿型宽禁带氧化物，室温下禁带宽度3.2eV，对可见光透明。适当掺杂后，SrTiO3可成为良好的半导体和导体，应用于透明TFT、太阳能电池、有机电致发光器件等技术领域。本项目采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，建立了Sb、La、Nb n型掺杂及In、Sc p型掺杂SrTiO3材料的导电模型，从电子结构角度揭示了n 、p型掺杂对SrTiO3电输运性质和光学性质的影响机理，得出在制备高质量SrTiO3透明导电材料时，La和Nb是较好的施主掺杂元素；掺杂后，SrTiO3:Nb和SrTiO3:La体系可见光透过率均有明显的提高，且可见光透过率均高于90%。 In、Sc p型掺杂SrTiO3体系的结构稳定。In在SrTiO3中的电离能为0.1336eV，小于Sc在SrTiO3中的电离能0.2088eV。掺杂后，SrTiO3:In和SrTiO3:Sc体系光学吸收边发生蓝移, 掺杂体系的可见光透过率有明显提高，在350-625 nm波长范围透过率高于85%。同时，在理论研究的指导下，采用溶胶凝胶法制备出电阻率在10-2~10-4Ω•cm、可见光平均透过率大于90％的高性能SrTiO3透明半导体薄膜，并获得优化的制备工艺。醋酸锶和钛酸丁酯的摩尔比1:1，冰醋酸和醋酸锶的摩尔比30:1，钛酸丁酯和乙酰丙酮的摩尔比1:1，冰醋酸和乙二醇甲醚的体积比2:3，PVP和Ti原子的摩尔比3:400；陈化温度为30℃、陈化时间72小时、预处理温度180℃和退火温度850℃。当La掺杂浓度为4at.%时，其在可见光波段的透过率最大值为88.66%，电阻率为11.7×10-3Ω•cm。采用磁控溅射法制备SrTiO3薄膜，研究溅射功率、溅射时间、气压、衬底温度、退火温度以及退火时间对其成膜质量的影响，筛选出优化工艺参数，进而进行不同浓度的Sb掺杂。具体优化工艺参数为：溅射功率120W，气压1Pa，溅射时间30分钟，衬底温度250℃，退火温度900℃，退火时间120分钟。Sb掺杂后，光学透过率和电阻率发生变化，当Sb靶溅射功率为8W时，光学透过率为90.80%，电阻率为6.0×10-2Ω∙cm，对应的光电性能指数相对较好，为0.25×10-3Ω-1。