专利名称：非晶氧化铟锌/氧化铟纳米晶同质复合薄膜晶体管及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种非晶氧化铟锌/氧化铟纳米晶同质复合薄膜晶体管及其制备的方法，属于纳米材料与纳米器件领域。
背景技术：
随着信息时代的到来，显示器件(IXD)、电子纸正加速向平板化、节能化的方向发展，其中以薄膜晶体管(TFT)为开关元件的有源阵列驱动显示器件成为众多平板显示技术中的佼佼者。TFT是一种场效应半导体器件，包括衬底、半导体沟道层、绝缘层、栅极和源漏电极等几个重要组成部分，其中半导体沟道层对器件性能至关重要。目前，对于TFT-IXD，其中的半导体沟道层主要采用非晶硅(a-Si)和多晶硅薄膜晶体管k-Si)。a-Si系的TFT-LCD具有制备工艺简单、漏电流小等特点，成为目前应用最广、发展最快、工艺最为成熟的一种显示器件。但是随着液晶显示器朝着高清晰度和大显示容量方向发展，而且像素元尺寸越来越小，为了保证足够高的开口率，要求TFT的尺寸更小。同时，由于像素密度的增加，单元像素的充电时间更短，提高TFT的迁移率就显得颇为重要。然而，a-Si材料的迁移率 1 cm2/Vs且掺杂效率较低，不能满足小尺寸、高充电能力TFT的要求。另外a-Si材料有很强的光电效应，能够降低TFT的关态电阻，影响液晶像素的电荷存贮特性。正是因为a-Si薄膜晶体管存在上述问题，九十年代后期人们把注意力转移到P-Si材料，这是由于/7-Si的载流子迁移率比a-Si高1 2数量级。这就使得/7-Si 系TFT的响应速度快，图像数据写入速度快。但是，目前/7-Si系的TFT存在两个问题一是TFT的关态电流较大；二是高迁移率多晶硅材料的低温大面积制备较困难。因此人们在不断地寻找性能更加优良的材料体系。同时，有机EL显示技术也是当前科技界和产业界普遍看好的一种很有前途的显示技术。但是Si-TFT-OLED也存在发出的大部分(70%-90%)光的被Si-TFT遮挡的现象。而 OLED的亮度与其注入电流成正比，所以为了提高其显示亮度，需要增大注入电流，然而电流增大会造成发热增加，导致器件失效加速。于是科研工作者将目光转移到了单壁碳纳米管和石墨烯，它们具有非常优秀的半导体特性，比如极高的载流子迁移率，但是碳纳米管的排列以及本身具备的金属半导体分离等问题难以克服。而对于石墨烯来说，虽然迁移率较高，但是由于石墨烯材料本身没有带隙，相应研制出的器件开关比都比较低(<10)。同时，石墨烯的掺杂技术也没有完全解决，不适合做逻辑开关器件。因此为了解决以上的问题，开发与之兼容的柔性基底上高速、稳定半导体TFT开关阵列成为当前的迫切需求之一。作为TFT材料，透明氧化物半导体(TCO)受到研究者和显示屏生产厂商的瞩目。在当前研究的非晶氧化物半导体中，导带主要由球形对称的金属阳离子大半径s轨道构成，相邻轨道产生较大的重叠，为电子的传输形成了通道，这样就不受非晶结构的影响，使得非晶氧化物半导体材料具有较大的载流子迁移率。因此TCO-TFT相比非晶硅TFT由于具有高电子迁移率、高电导、生长温度低和高透光性已成为当前的研究热点之一。对于柔性显示器件来说，非晶态透明氧化物TFT由于具有常温生长、薄膜光洁度高、应力低、兼容性好和可大面积生长的优势可能成为今后柔性平板显示TFT驱动开关阵列的首选材料。
众所周知，氧化铟(In2O3)是一种宽禁带的N型半导体材料，直接带隙为 3. 55-3. 7kV，间接带隙为2. 6 eV,具有较高的迁移率，在可见光范围的透过率超过90 %， 这些性质使氧化铟具有良好的应用前景，如太阳能电池、光电器件、薄膜晶体管和传感器等。氧化锌(ZnO)具有N型半导体的特征，能带隙约为3.3 eV,使用铝、镓、铟等第III主族元素或氯、碘等卤素可以调节其N型半导体性能。高能带隙为氧化锌带来击穿电压高、维持电场能力强、电子噪声小、可承受功率高等优点。
而单一的氧化物薄膜，不能提供高迁移率和透光率，也不能可控调制，于是就有了 In2O3-ZnO (IZO)的二维的纳米薄膜结构，这种共体可以实现载流子高迁移率和可调制性。 IZO同时也具有高透光性和高导电性，也可以用来作为平板显示器和太阳能电池，成为时下很热的薄膜晶体管技术(TFT)的选择之一，但是当前的这种薄膜晶体管的迁移率很低，所以我们采用了复合同质纳米氧化铟颗粒，以达到其迁移率提高的目的。发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种高载流子迁移率的薄膜晶体管及其制备方法。
为了解决上述问题，本发明所提供的高性能薄膜晶体管，以非晶氧化铟锌/氧化铟纳米晶同质复合薄膜为半导体沟道层，在复合薄膜中，复合的纳米氧化铟和氧化铟锌的摩尔比为0. 5% 1%。
上述高性能薄膜晶体管的制备方法是将纳米氧化铟颗粒和氧化铟锌进行复合，得到非晶氧化铟锌/氧化铟纳米晶同质复合薄膜，并以此为半导体沟道层，经过晶体管制造工艺得到高性能复合薄膜场效应晶体管。
具体方案是1)将氧化铟纳米颗粒超声分散于有机溶剂中作为母液待用，将摩尔比1:1的四水合硝酸铟和二水合醋酸锌溶于乙二醇甲醚中，溶液记为A，并按照乙醇胺铟=10 1的摩尔浓度比加入乙醇胺作为稳定剂；2)向溶液A中添加分散均勻的纳米氧化铟颗粒的母液并超声分散，使A中氧化铟颗粒为In (NO3) 3·4Η20和C4H6O4ZnCH2O总摩尔的0. 5% 1% ；然后旋涂于衬底上，烘干后继续旋涂，直至达到厚度；3)在大气中热退火，即得到IZOAn2O3NCs复合薄膜材料；4)利用紫外光刻技术，通过第一次掩膜，利用湿法刻蚀将复合薄膜刻蚀成小块，接着经过第二次光刻掩膜、Ti/Al电极蒸镀及剥离即可获得IZ0/In203NCs复合薄膜晶体管。
上述方案中，纳米氧化铟颗粒按照合适的摩尔比超声分散于有机溶剂中，使其均勻悬浮作为母液待用。四水合硝酸铟和二水合醋酸锌按照1:1的摩尔浓度比溶于乙二醇甲醚中，继续搅拌，加入一定量的氧化铟颗粒的母液并继续超声分散，得到分散的复合胶体溶液。然后旋涂于预先生长有绝缘层的衬底上，再烘烤去除有机溶剂，接着继续重复旋涂，直到达到所需厚度。在得到的复合薄膜中，氧化铟颗粒为h (NO3) 3·4Η20和C4H6O4Zn^H2O总摩尔的0. 5% 1%。本发明以IZO非晶薄膜为基础材料，在薄膜里面复合少量的晶化的氧化铟纳米颗粒，利用氧化铟高载流子迁移率，提高非晶IZO薄膜的迁移率。以此复合薄膜作为半导体沟道层，经过晶体管制造工艺得到高高迁移率并具有透明度的非晶氧化铟锌/氧化铟纳米晶同质复合薄膜晶体管。按本发明方法所制备非晶氧化铟锌/氧化铟纳米晶同质复合薄膜晶体管，是载流子迁移率高达30cm7Vs、透光率大于80%的高性能薄膜晶体管。本发明的制备方法直接采用溶胶凝胶法，工艺简单、对实验条件要求低、可控程度高、成本低廉、可大面积批量生产且可重复性高、且符合环境要求。
图1 实施例1中未掺杂薄膜材料的形貌结构。图2 掺杂所用纳米氧化铟颗粒的形貌结构。图3 掺杂0%和1%的氧化铟纳米颗粒的薄膜紫外可见光透射率表征。图4 掺杂0%氧化铟纳米颗粒的薄膜场效应晶体管的电学性能曲线图。图5 掺杂0. 5%氧化铟纳米颗粒的薄膜场效应晶体管的电学性能曲线图。图6 掺杂1%氧化铟纳米颗粒的薄膜场效应晶体管的电学性能曲线图。
具体实施例方式实施例1
将0. 285 g的四水合硝酸铟和0. 165 g 二水合醋酸锌溶于25 ml的乙二醇甲醚中，并加入0.46 ml乙醇胺作为稳定剂，搅拌3 h，对预先生长有300 nm厚的SiO2绝缘层的P型 Si片进行超声清洗，然后利用旋涂机以2000 rpm的转速进行旋涂，然后在大气中200 ！烘烤10 min后，该步骤重复两次得到60 nm厚的复合薄膜，最后在大气中400 °C热退火30 min得到IZO薄膜材料；(2)利用紫外光刻技术，通过第一次掩膜，利用湿法刻蚀(10 wt%的稀盐酸)2 min后将薄膜分割成面积大小为1 mm Xl mm的小块，以减小晶体管制备工艺过程中引入寄生电容和漏电流。接着经过第二次光刻掩膜、利用电子束蒸发制备Ti/Al电极和剥离即可获得IZO薄膜场效应晶体管。AFM照片见附图1 ；电学性能曲线见附图4 (a)和 (b)，其原始的薄膜场效应迁移率为1.9 cm2/Vs0实施例2
(1)将0.0013 mg氧化铟纳米颗粒超声溶解在25mL的乙二醇甲醚中，超声4 h使其均勻悬浮作为母液待用。然后将0^85 g的四水合硝酸铟和0. 165 g 二水合醋酸锌溶于25ml 的乙二醇甲醚中，并加入0. 46 ml乙醇胺作为稳定剂，搅拌池，加入25ml的氧化铟纳米颗粒的母液并超声分散30 min，然后以2000rpm的转速旋涂于预先生长有300 nm厚的SiO2绝缘层上，然后在大气中200 °C烘烤10 min后，并反复重复，得到60 nm厚的复合薄膜，最后在大气中400 °C热退火30 min得到IZOAn2O3NCs复合薄膜材料；(2)利用紫外光刻技术，通过第一次掩膜，利用湿法刻蚀(IOwt %的稀盐酸作为刻蚀剂)2 min后将薄膜分割成面积大小为1 mm Xl mm的小块，以减小晶体管制备工艺过程中引入寄生电容和漏电流。接着经过第二次光刻掩膜、利用电子束蒸发制备Ti/Al电极和剥离即可获得高电子迁移率的IZO/ ^i2O3NCs复合薄膜晶体管。(3Mn2O3掺杂浓度0.5 %时场效应晶体管的电学特性曲线(见附图5 (a)和(b))，复合薄膜场效应晶体管的场效应迁移率为沈cm2/Vs。
实施例3 (1)将0.00 mg氧化铟纳米颗粒超声溶解在25mL的乙二醇甲醚中，超声4 h使其均勻悬浮作为母液待用。然后将0^85 g的四水合硝酸铟和0.165 g 二水合醋酸锌溶于 25ml的乙二醇甲醚中，并加入0. 46 ml乙醇胺作为稳定剂，配制多份搅拌池，加入25ml的氧化铟纳米颗粒的母液并超声分散30 min，然后以2000rpm的转速旋涂于预先生长有300 nm厚的SiO2绝缘层上，然后在大气中200 °C烘烤10 min后，并反复重复，得到60 nm厚的复合薄膜，最后在大气中400 °C热退火30 min得到IZO/ In2O3NCs复合薄膜材料；(2)利用紫外光刻技术，通过第一次掩膜，利用湿法刻蚀(IOwt %的稀盐酸作为刻蚀剂)2 min后将薄膜分割成面积大小为1 mm Xl mm的小块，以减小晶体管制备工艺过程中引入寄生电容和漏电流。接着经过第二次光刻掩膜、利用电子束蒸发制备Ti/Al电极和剥离即可获得高电子迁移率的IZO/ In2O3NCs复合薄膜晶体管。(3)未掺杂L2O3的玻璃和掺杂1% In2O3 的玻璃的紫外光可见光透射曲线见附图3 ；In2O3掺杂浓度1 %时场效应晶体管的电学特性曲线(见附图6 (a)和(b))，其场效应迁移率为31 cm2/VS。由此可见，通过掺0. 5%到1%范围内的纳米纳米氧化铟颗粒，其IZOAn2O3 NCs复合薄膜晶体管的场效应迁移率得到了大幅度的提高。
权利要求
1.一种非晶氧化铟锌/氧化铟纳米晶同质复合薄膜晶体管，其特征在于，以非晶氧化铟锌/氧化铟纳米晶同质复合薄膜为半导体沟道层，在复合薄膜中，复合的纳米氧化铟和氧化铟锌的摩尔比为0. 5% 1%。
2.权利要求1所述同质复合薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤1)将氧化铟纳米颗粒超声分散于有机溶剂中作为母液待用，将摩尔比1:1的四水合硝酸铟和二水合醋酸锌溶于乙二醇甲醚中，溶液记为A，并按照乙醇胺铟=10 1的摩尔浓度比加入乙醇胺作为稳定剂；2)向溶液A中添加分散均勻的纳米氧化铟颗粒的母液并超声分散，使A中氧化铟颗粒为In (NO3) 3·4Η20和C4H6O4ZnCH2O总摩尔的0. 5% 1% ；然后旋涂于衬底上，烘干后继续旋涂，直至达到厚度；3)在大气中热退火，即得到IZOAn2O3NCs复合薄膜材料；4)利用紫外光刻技术，通过第一次掩膜，利用湿法刻蚀将复合薄膜刻蚀成小块，接着经过第二次光刻掩膜、Ti/Al电极蒸镀及剥离即可获得IZ0/In203NCs复合薄膜晶体管。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，将氧化铟纳米颗粒超声分散于乙二醇甲醚中作为母液。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，经过在大气环境中400°C热退火 30min，得到非晶氧化铟锌/氧化铟纳米晶同质复合薄膜。
全文摘要
本发明提供了一种非晶氧化铟锌/氧化铟纳米晶同质复合薄膜晶体管，以非晶氧化铟锌/氧化铟纳米晶同质复合薄膜为半导体沟道层，在复合薄膜中，复合的纳米氧化铟和氧化铟锌的摩尔比为0.5%～1%。将0.5%～1%摩尔比的氧化铟纳米颗粒加入到铟盐-锌盐复合胶体溶液中，利用旋涂法和煅烧，制备出高性能的氧化铟锌薄膜，再将其进行微纳加工如光刻、刻蚀、再光刻以及电极的蒸镀和剥离制备出复合型薄膜场效应晶体管。通过控制工艺条件，可以得到具有高迁移率的场效应晶体管，并且使其具备较高的透光性能。制备方法成本低廉，可实现大规模批量生产。
文档编号H01L29/24GK102509735SQ20111044350
公开日2012年6月20日 申请日期2011年12月27日 优先权日2011年12月27日
发明者刘兴强, 刘曰利, 廖蕾, 王春兰, 贺彪, 陈文 申请人:武汉大学