专利名称：非晶氧化锌镁/碳纳米管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锌镁/碳纳米管复合薄膜晶体管及其制备方法，属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 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 I 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I 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P-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也存在所发出的大部分(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。作为TFT材料之一，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和a-Si TFT相比，由于具有高电子迁移率、高电导、低生长温度和高透光性已经成为当前的研究热点之一。对于柔性显示器件来说，非晶态氧化透明氧化物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。然而任何新技术的诞生到真正实用化都需要一个过程，非晶态氧化物也还面临一些问题，比如载流子迁移率一般都〈10 cm2/Vs，还有较大的提高空间。再之，现阶段的非晶氧化物薄膜晶体管普遍存在阈值电压高的问题，不适合未来低功耗电路发展的需求，迫切需要对其进行调制。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种载流子迁移率高，阈值电压可控的高性能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，以非晶氧化锌镁/碳纳米管复合薄膜为半导体沟道层，在复合薄膜中，碳原子和氧化物中的金属阳离子摩尔比在0-25%之间。通过对氧化物组分的调制，实现了对阈值电压从-IOV到6V的连续调控。上述高性能薄膜晶体管的制备方法是
将碳纳米管和氧化锌镁进行复合，得到非晶氧化锌镁/碳纳米管复合薄膜，并以此为半导体沟道层，经过晶体管制造工艺得到高性能透明复合薄膜场效应晶体管。
具体方案是
1)首先将稳定剂乙醇胺以乙醇胺/乙二醇甲醚体积比为O.92%加入到乙二醇甲醚中，溶液记为A,以Mg Zn的摩尔比I :5 10将硝酸镁和醋酸锌加入到溶液A中作为前驱体，控制所有金属阳离子的总摩尔浓度为O. 03 mol/L，超声均匀，所得溶液记为B ；
2)将碳纳米管超声均匀分散于有机溶剂中，并按照碳和氧化物的摩尔质量比在0-25%之间，将碳纳米管分散液加入到溶液B中，并继续超声，使碳纳米管分散均匀，所得溶液记为C ；
3)将溶液C旋涂于预先生长有绝缘层的衬底上，烘干后继续旋涂，直至达到所需厚度；
4)在大气中热退火，即得到非晶氧化锌镁/碳纳米管复合薄膜材料；
5)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、Cr/Au电极蒸镀及剥离即可获得氧化铟锌/碳纳米管复合薄膜晶体管。
本发明以非晶金属氧化物氧化锌镁薄膜为基础材料，在薄膜里面复合少量的金属性多(单)壁碳纳米管，利用碳纳米管高载流子迁移率，提高非晶金属氧化物薄膜的开启电流、迁移率和机械柔韧性。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性能非晶氧化物/碳纳米管复合薄膜场效应晶体管，并且通过对沟道层材料组分的精确控制，实现了对晶体关阈值电压的调控，以满足各种应用的需求。按本发明方法所制备的非晶氧化物/碳纳米管复合薄膜晶体管，载流子迁移率高达135 cm2/Vs、开关电流比高于108、阈值电压从-10 V到2 V之间连续可调。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I :(a)本实验中所使用的碳纳米管的透射电子显微镜图片，插图为高分辨率照片，比例尺为5 nm ； (b)本实验中复合薄膜晶体管沟道层的拉曼图谱，插图为薄膜晶体管的光学图片，比例尺为10 Mm。图2 :实施例2中的碳原子和金属阳离子比例为O和12. 5%的复合薄膜晶体管的电学性能曲线。其中(a)和(b)分别为ZnMgO基薄膜晶体管的转移曲线，(b)和(d)分别为ZnMgO基薄膜晶体管的为其输出曲线。图3 : (a)实施例3中不同Mg和Zn离子摩尔比的ZnMgO/CNTs复合薄膜晶体管的转移曲线；(b)实施例4中不同Mg和Zn离子摩尔比的ZnMgO/CNTs复合薄膜晶体管的迁移率和阈值电压随着Mg和Zn不同摩尔比例的变化曲线，由此可以看出，对于ZnMgO/CNTs复合薄膜而言，完全可以通过调制Mg和Zn摩尔比来实现ZnMgO/CNTs复合薄膜晶体管从耗尽型到增强型的转变。
具体实施例方式实施例I :
(I)将O. 293 g 二水合醋酸锌和O. 043 g六水合硝酸镁溶于50 mL的乙二醇甲醚中，并加入O. 46 mL乙醇胺作为稳定剂，记为溶液D1，搅拌2 h，对预先生长有100 nm厚的SiO2绝缘层的高掺杂的Si片进行超声清洗，利用旋涂机以3000 rpm的转速进行旋涂，然后在大气中150 °C烘烤10 min后，在上一层的基础上再旋涂一层，得到60 nm厚的复合薄膜，最后 在大气中350 °C热退火40 min得到复合薄膜材料；(2)利用紫外光刻技术,通过第一次掩膜，利用湿法刻蚀(10 wt%的稀盐酸)2 min后将薄膜分割成面积大小为I mm X I 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、利用热蒸发制备Cr/Au电极和剥离即可获得ZnO薄膜场效应晶体管。所制备出的薄膜晶体管的电学性能曲线见附图2(a)和(C)，图1(a)为本实验中使用的碳纳米管的透射电子显微镜图像，插图为其高分辨率透射电子显微镜图形，比例尺为5nm;图1(b)为本实验中复合薄膜晶体管的沟道层的拉曼图谱，插图为薄膜晶体管的光学显微镜照片，比例尺为20微米。实施例2:
(I)将9 mg碳纳米管(CNT)超声溶解在100 mL的乙二醇甲醚中，超声4 h使其均匀悬浮作为母液待用，记为溶液Ap将O. 293 g 二水合醋酸锌和O. 043 g六水合硝酸镁溶于50mL的溶液A中，并加入O. 46 mL乙醇胺作为稳定剂，记为溶液D2，搅拌2 h;再加入50 mL溶液A1，然后继续超声I h以获得均匀的复合薄膜的前驱液。对预先生长有100 nm厚的SiO2绝缘层的高掺杂的Si片进行超声清洗，然后利用旋涂机以3000 rpm的转速进行旋涂，然后在大气中150 °C烘烤10 min后，在上一层的基础上再旋涂一层，得到60 nm厚的复合薄膜，最后在大气中350 °C热退火40 min得到复合薄膜材料；(2)利用紫外光刻技术，通过第一次掩膜，利用湿法刻蚀(10 wt%的稀盐酸)2 min后将薄膜分割成面积大小为I mm X I 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、利用热蒸发制备Cr/Au电极和剥离即可获得ZnMgO薄膜场效应晶体管。碳原子和复合薄膜中金属阳离子的摩尔比为12. 5%的非晶金属氧化物/碳纳米管复合薄膜晶体管的电学特性曲线见图2 (b)和(d)。实施例3:
(I)将9 mg碳纳米管(CNT)超声溶解在100 mL的乙二醇甲醚中，超声4 h使其均匀悬浮作为母液待用，记为溶液A3。将O. 275 g的二水合醋酸锌和O. 064 g六水合硝酸镁溶于25 mL的乙二醇甲醚中，并加入O. 46 mL乙醇胺作为稳定剂，记为溶液D3;将O. 293 g四水合硝酸铟、0.043 g四水合硝酸镁溶于25 mL的乙二醇甲醚中，并加入O. 46 mL乙醇胺作为稳定剂，记为溶液D4;将O. 3 g二水合醋酸锌和O. 035 g硝酸镁溶于25 mL的乙二醇甲醚中，并加入O. 46 mL乙醇胺作为稳定剂，记为溶液D5，将上述溶液D3, D4, D5都搅拌2 h ;然后都加入25 mL分散均匀的溶液A3，继续超声I h以获得均匀的复合薄膜的前驱液。对预先生长有100 nm厚的SiO2绝缘层的高掺杂的Si片进行超声清洗，然后利用旋涂机以3000rpm的转速进行旋涂，然后在大气中150 °C烘烤10 min后，在上一层的基础上再旋涂一层，得到60 nm厚的复合薄膜,最后在大气中350 °C热退火40 min得到复合薄膜材料；(2)利用紫外光刻技术，通过第一次掩膜，利用湿法刻蚀(10 丨％的稀盐酸)2 min后将薄膜分割成面积大小为I _ Xl _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、利用热蒸发制备Cr/Au电极和剥离即可获得ZnO薄膜场效应晶体管。 在复合薄膜中，碳原子和复合薄膜中金属阳离子的摩尔比为25%，Mg和Zn的摩尔比分别为1/5、1/8、1/10;复合薄膜晶体管的电学特性曲线见图3(&)，图3(13)为薄膜晶体管的一系列具体性能参数和Mg与Zn的摩尔比的关系曲线。
权利要求
1.一种非晶氧化锌镁/碳纳米管复合薄膜晶体管，其特征在于，以各种氧化物/碳纳米管复合薄膜为半导体沟道层，在复合薄膜中，碳原子和氧化物中的金属阳离子摩尔比在0-25%之间。
2.权利要求I所述的复合薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，依次包括如下步骤 O首先将稳定剂乙醇胺以乙醇胺/乙二醇甲醚体积比为O. 92%加入到乙二醇甲醚中，溶液记为A,以Mg Zn的摩尔比I :5 10将硝酸镁和醋酸锌加入到溶液A中作为前驱体，控制所有金属阳离子的总摩尔浓度为O. 03 mol/L，超声均匀，所得溶液记为B ； 2)将碳纳米管超声均匀分散于有机溶剂中，并按照碳和氧化物的摩尔质量比在0-25%之间，将碳纳米管分散液加入到溶液B中，并继续超声，使碳纳米管分散均匀，所得溶液记为C ； 3)将溶液C旋涂于预先生长有绝缘层的衬底上，烘干后继续旋涂，直至达到所需厚度； 4)在大气中热退火，即得到非晶氧化锌镁/碳纳米管复合薄膜材料； 5)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、Cr/Au电极蒸镀及剥离即可获得氧化铟锌/碳纳米管复合薄膜晶体管。
全文摘要
本发明涉及一种高性能薄膜晶体管，以非晶氧化锌镁/碳纳米管复合薄膜为半导体沟道层，在复合薄膜中，碳原子和氧化物中的金属阳离子摩尔比在0-25%之间。通过对氧化物组分的调制，实现了对阈值电压从-10V到6V的连续调控。该高性能薄膜晶体管的制备方法是将碳纳米管和氧化锌镁进行复合，得到非晶氧化锌镁/碳纳米管复合薄膜，并以此为半导体沟道层，经过晶体管制造工艺得到高性能透明复合薄膜场效应晶体管。制备方法工艺简单，对条件要求低，可控程度高，成本低廉。
文档编号H01L29/24GK102842602SQ20121036830
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者廖蕾, 刘兴强 申请人:武汉大学