新型MgO掺杂透明导电薄膜及其导电机理的研究

采用以轻金属类氧化物-MgO的非晶态薄膜为主体材料，以掺杂C和H等方式，研究其薄膜实现自绝缘相至导电相转换的可能性和可行性，进行下一代新型透明导电薄膜开发的探索性研究。本项目的创新点是1）、直接以MgO绝缘材料为主体薄膜，以掺杂方式研究透明导电薄膜的可行性；2）利用C掺杂的结构和H掺杂的缺陷中心相结合，研究薄膜的新型导电机理。

透明导电薄膜在平板显示、太阳能电池等光电子技术领域有着举足轻重的地位。传统透明导电薄膜ITO材料因铟资源问题在未来光电子技术及产业中的矛盾日益突出，开发无铟系的新型透明氧化物导电薄膜或半导体薄膜成为人们努力的方向。我们基于非晶MgO薄膜为主体材料，利用C、H、F、Sn等元素掺杂并结合MgO薄膜结构缺陷（F和V中心），研究了传统透明绝缘氧化物薄膜实现透明导电或半导体的可行性。.　　在MgO掺杂实现透明导电薄膜方面，1）C掺杂MgO非晶薄膜，存在最佳掺杂比C/Mg(wt%)为1/5，膜厚300nm时方阻1.2 Ω/□，电阻率4.8×10-5 Ω•cm，远小于相同工艺下制备的非晶C薄膜电阻（10×10-3 Ω•cm），这表明MgO-C薄膜具有与C膜不同的导电机制；2）C掺杂有助于MgO-C薄膜为非晶结构，以及薄膜中高浓度F中心（O空位）的形成，掺杂C主要占据V中心（Mg空位）或Mg晶格位，与周围O形成O-C键产生sp2杂化，当C掺杂量达到一定值时这种杂化与高浓度的F中心相结合形成MgO-C薄膜的导电通道，但同时又会导致C在薄膜中自成石墨相网络，从而影响其透明性；3）H注入MgO-C薄膜时在V中心形成O-H键而成MgOHOC结构，因此提高了自由载流子浓度，而致电导率增强，但并不能改变MgO-C薄膜的导电机理；4）Sn掺杂MgO薄膜呈完好的非晶结构，在最佳掺杂比下实现透明导电，500℃处理下透过率达85%以上。.　　为进一步探索非晶MgO掺杂的改性，我们利用MgO-Al2O3-SnO2、MgO-MgF2-SnO2、MgF2-SnO2等进行了2元和3元金属透明氧化物半导体材料及薄膜的研究。1）利用MgO-Al2O3为基材开发了无铟系的新型透明氧化物半导体薄膜材料，这种新型薄膜在300nm厚度下具有良好的非晶态，与仅为50nm厚度的IGZO非晶薄膜相比，更利于实现大面积下的TFT均匀性，用其实现的n-沟道增强型透明氧化物TFT，阈值电压~0.7 V，亚阈值摆幅~ 0.3 V/decade，饱和场效应迁移率~ 6 cm2/Vs；2）利用MgF2和SnO2的掺杂开发了一种新型p-型非晶透明氧化物半导体薄膜材料，同时通过掺杂量的控制可使这种新型薄膜实现n-型到p-型导电的反转，这为开发双极性氧化物半导体材料提供了一种新的途径。这些成果已与企业相结合并正在进行应用研究和开发。.