本发明属于电子材料及器件技术领域，具体地讲，涉及一种氧化物半导体薄膜的制作方法、以及该氧化物半导体薄膜在氧化物薄膜晶体管中的应用。
背景技术：
氧化物薄膜晶体管由于其稳定性好、制备温度低的优势，已经成为新一代的显示背板驱动技术。在氧化物薄膜晶体管中，关键结构即氧化物半导体薄膜。高性能的氧化物半导体薄膜不仅可以采用真空沉积制备，也可以采用喷墨印刷制备；其中，采用印刷工艺制备该氧化物半导体薄膜，避免了使用真空设备和光刻工艺，具有工艺简单和成本低廉等优点。
若想实现能驱动LCD和OLED发光的显示面板，需要在单位面积集成大量TFT器件，这对单个TFT器件的尺寸及占空比等提出了很高的要求。例如，55寸的4K显示屏要求单个像素点的尺寸约为100μm×300μm，这对薄膜晶体管的尺寸做出了很大的限制。作为TFT器件中最重要的结构，有源层阵列需要控制尺寸小于50μm，而溶液法制备的氧化物TFT对其中有源层的厚度需要控制小于30nm。通常使用喷墨体积为10pL的喷墨印刷设备，在使用水相墨水印刷时，由于水的表面张力较大，承印表面需要进行亲水处理，处理后印刷的氧化物半导体薄膜尺寸大于80μm，不能满足高集成度的要求。如果缩小喷头，减小喷墨体积，则容易造成喷头堵塞；而且当前1pL喷墨打印的相关工艺还很不成熟，无法应用于大面积制备。
通常可以采用表面修饰的方法获得不同接触角的基底表面，从而获得不同尺寸的喷墨印刷氧化物半导体薄膜阵列；但由于喷墨的液滴体积基本恒定，氧化物半导体薄膜尺寸的减小必然会带来厚度的增加。实验表明，当基底表面的接触角大于30°时，氧化物半导体薄膜的尺寸能够降低到30μm以下，但此时其厚度将大于100nm，制备的薄膜晶体管性能很差，说明较厚的氧化物半导体薄膜不利于制备高性能的薄膜晶体管。
因此，针对现有技术不足，提出一种通过印刷工艺来制备兼具小尺寸和低厚度的氧化物半导体薄膜的方法以克服现有技术的不足尤为必要。
技术实现要素：
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种氧化物半导体薄膜的制作方法，该制作方法有效地同时控制了氧化物半导体薄膜的尺寸和厚度，以使该氧化物半导体薄膜应用于氧化物薄膜晶体管中时，能够保证该氧化物薄膜晶体管获得优异性能。
为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种氧化物半导体薄膜的制作方法，包括：
对基底进行疏水处理，获得改性基底；
配制电子墨水：向氧化物半导体的前驱体溶液中加入功能试剂，获得电子墨水；其中，所述功能试剂兼具亲水性和提高粘度作用；
将所述电子墨水印刷在所述改性基底的表面，形成墨滴；
待所述墨滴干燥后，对所述墨滴进行退火处理，在所述改性基底上获得氧化物半导体薄膜。
进一步地，所述功能试剂为聚乙烯吡咯烷酮，所述聚乙烯吡咯烷酮的相对分子质量为40000或1300000。
进一步地，当所述功能试剂为相对分子质量为40000的聚乙烯吡咯烷酮时，在所述电子墨水中的功能试剂的物质的量浓度为0.1mg/mL～0.5mg/mL；当所述功能试剂为相对分子质量为1300000的聚乙烯吡咯烷酮时，在所述电子墨水中的功能试剂的物质的量浓度为0.05mg/mL～0.5mg/mL。
进一步地，所述改性基底的接触角为48°～56°。
进一步地，所述氧化物半导体的前驱体溶液为金属硝酸盐的水溶液。
进一步地，所述金属硝酸盐的水溶液包括In(NO3)3水溶液、Ga(NO3)3水溶液、Zn(NO3)2水溶液中的至少一种。
进一步地，所述氧化物半导体的前驱体溶液的浓度为0.01mol/L～0.05mol/L。
进一步地，所述墨滴的干燥温度及退火温度均不低于200℃、且不高于氧化物半导体的前驱体的最高活化温度。
进一步地，所述墨滴的干燥温度及退火温度均为200℃～350℃。
本发明的另一目的在于提供一种氧化物薄膜晶体管，所述氧化物薄膜晶体管以采用如上任一所述的制作方法获得的氧化物半导体薄膜作为有源层。
本发明的另一目的还在于提供一种氧化物薄膜晶体管的制作方法，包括：介质层的制作步骤、有源层的制作步骤、栅极的制作步骤、源极和漏极的制作步骤；在所述有源层的制作步骤中，以所述介质层作为基底，采用如上任一所述的氧化物半导体薄膜的制作方法。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供了一种全新的氧化物半导体薄膜的制作方法，通过对电子墨水进行改进，获得了一种低浓度的氧化物半导体的前驱体的混合溶液，由此当印刷后通过干燥退火即可获得兼具小尺寸和少厚度的氧化物半导体薄膜；由此，在同等面积的基板上，相比现有技术中的制作方法，即可制作更多的氧化物半导体薄膜，形成高密度的氧化物半导体薄膜阵列；
(2)根据本发明的氧化物半导体薄膜的制作方法，避免了使用真空设备及光刻工艺，有效减少了制作成本，同时能够满足工业化生产的大面积制备要求；
(3)基于本发明提供的氧化物半导体薄膜的制作方法，可将其应用于氧化物薄膜晶体管及其制作中，采用该氧化物半导体薄膜的制作方法来制作氧化物薄膜晶体管中的有源层；相比现有技术中有源层的制作方法，以该兼具小尺寸及少厚度的氧化物薄膜晶体管作为有源层，可以在单位面积上最大化地集成更多的氧化物薄膜晶体管，以满足显示背板的高像素需求；
(4)根据本发明的氧化物薄膜晶体管的制作方法，其所使用的电子墨水中氧化物半导体的前驱体的浓度较现有技术中的浓度更低，印刷获得的墨滴经退火即可获得厚度较少的氧化物半导体薄膜；与此同时，通过控制该电子墨水中氧化物半导体的前驱体的浓度，即可调控预制备的有源层的厚度，且该氧化物半导体薄膜均匀性较高，更易获得高性能的氧化物薄膜晶体管。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1是根据本发明的实施例1的氧化物半导体薄膜阵列的光学实物图；
图2是根据本发明的实施例1的氧化物半导体薄膜阵列的薄膜形貌图；
图3是根据本发明的对比例1的氧化物半导体薄膜阵列的光学实物图；
图4是根据本发明的对比例1的氧化物半导体薄膜阵列的薄膜形貌图；
图5是根据本发明的对比例2的氧化物半导体薄膜阵列的光学实物图；
图6是根据本发明的对比例2的氧化物半导体薄膜阵列的薄膜形貌图；
图7是根据本发明的实施例1、对比例1、对比例2的氧化物半导体薄膜阵列的最小点间距对比图；
图8是根据本发明的实施例1、对比例1、对比例2的氧化物半导体薄膜阵列的厚度对比图；
图9是根据本发明的实施例3的氧化物薄膜晶体管的结构示意图；
图10是根据本发明的实施例3的氧化物薄膜晶体管的归一化转移曲线图；
图11是根据本发明的实施例4的氧化物薄膜晶体管的归一化转移曲线图；
图12是根据本发明的对比例3的氧化物薄膜晶体管的归一化转移曲线图；
图13是根据本发明的实施例5和实施例3的氧化物薄膜晶体管的归一化转移曲线对比图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。
将理解的是，尽管在这里可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种物质，但是这些物质不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个物质与另一个物质区分开来。
实施例1
本实施例提供了一种氧化物半导体薄膜的制作方法，其包括下述步骤：
S1、对基底进行疏水处理，获得改性基底。
一般来讲，对基底清洗干净后，可通过六甲基二硅胺(简称HMDS)进行修饰，即进行疏水化处理，获得了接触角为52°±4°的改性基底。
在本实施例中，基底具体选用了含有300nm厚的热氧化二氧化硅的硅片；基底的其他可选材料在此不再赘述，本领域技术人员可参照现有技术根据具体要求进行选择即可。
S2、配制电子墨水。
具体来讲，向氧化物半导体的前驱体溶液中加入功能试剂，获得电子墨水。其中，该功能试剂兼具亲水性和提高粘度作用，如此，该功能试剂一方面可以中和氧化物半导体的前驱体溶液在改性基底表面上的疏水作用，另一方面可利用其高粘度的特性提高该电子墨水的粘度，而在形成墨滴时快速定型。
该功能试剂优选为聚乙烯吡咯烷酮(简称PVP)，一般常用的PVP的相对分子质量为40000和1300000两种，以下均分别简称为PVP 40000和PVP 1300000。
当功能试剂具体为PVP 40000，其在电子墨水中的浓度为0.1mg/mL～0.5mg/mL；当功能试剂具体为PVP 1300000时，其在电子墨水中的浓度为0.05mg/mL～0.5mg/mL。
更为具体地，所述氧化物半导体的前驱体溶液为金属硝酸盐的水溶液，优选为In(NO3)3水溶液、Ga(NO3)3水溶液、Zn(NO3)2水溶液中的任意一种或至少两种的混合溶液。
一般地，控制氧化物半导体的前驱体溶液的浓度为0.01mol/L～0.05mol/L；鉴于电子墨水中功能试剂的添加量很少，因此电子墨水中氧化物半导体的前驱体的浓度与配制之前的氧化物半导体的前驱体溶液的浓度变化不大。如此，相比现有技术中，该电子墨水中的氧化物半导体的前驱体的浓度较低，后续经退火处理即可获得厚度较小的氧化物半导体薄膜。
在本实施例中，电子墨水中PVP 40000的浓度为0.1mg/mL、且氧化物半导体的前驱体溶液为0.02mol/L的In(NO3)3水溶液。
S3、将电子墨水印刷在改性基底的表面，形成墨滴。
在本实施例中，使用DM 2831型喷墨设备将上述电子墨水喷墨印刷于改性基底的表面；优选设置印刷前的改性基底的温度以及印刷过程中喷头的温度均为40℃左右。
S4、待墨滴干燥后，对墨滴进行退火处理，在改性基底上获得氧化物半导体薄膜。
一般地，控制墨滴的干燥温度及退火温度均不低于200℃、且不高于氧化物半导体的前驱体的最高活化温度；优选均控制在200℃～350℃的范围内即可。
在本实施例中，采用250℃的热台和250℃的马弗炉分别进行干燥和退火。
墨滴经过干燥及退火处理，一方面可使其中的溶剂得以挥发去除，另一方面其中的氧化物半导体的前驱体在退火处理时热分解形成氧化物半导体，并成膜形成预制作的氧化物半导体薄膜。
显然，若经过印刷在改性基底的表面上形成了若干墨滴，则其对应即可制作氧化物半导体薄膜阵列。
对本实施例制作的氧化物半导体薄膜阵列分别进行了光学实物表征和形貌表征，其光学实物图及薄膜形貌图分别如图1和图2所示。从图1和图2中可以看出，本实施例提供的氧化物半导体薄膜的制作方法，获得了点阵尺寸为35μm左右、厚度为12nm左右的氧化物半导体薄膜阵列，符合小尺寸、少厚度的指标要求。
为了进一步说明实施例1提供的氧化物半导体薄膜的制作方法的技术效果，进行了对比实验。
对比例1
对比例1的印刷条件即采用现有技术中的方法，采用与实施例1中相同的基底，并进行了UV亲水处理，获得了接触角接近0°的亲水基底；同时，以0.1mol/L的氧化物半导体的前驱体溶液作为墨水；其余参照实施例1中所述，获得了第一对比氧化物半导体薄膜。
对该第一对比氧化物半导体薄膜分别进行了光学实物表征和形貌表征，其光学实物图及薄膜形貌图分别如图3和图4所示。从图3和图4中可以看出，本对比例提供的氧化物半导体薄膜的制作方法，获得了点阵尺寸为85μm左右、厚度为10nm左右的第一对比氧化物半导体薄膜阵列，属于一种大尺寸、少厚度的氧化物半导体薄膜。
值得说明的是，本对比例所使用的墨水中氧化物半导体的前驱体的浓度较实施例1中的相应浓度略大，也仅获得了厚度为10nm左右的第一对比氧化物半导体薄膜阵列；显然，如若采取如实施例1中相同浓度的氧化物半导体的前驱体溶液作为墨水，则由于其尺寸较大，厚度将会低于5nm。
对比例2
对比例2的印刷条件即采用现有技术中经过改进的方法，即采用与实施例1中相同的改性基底；同时，仅以与实施例1中同浓度的氧化物半导体的前驱体溶液作为墨水；其余参照实施例1中所述，获得了第二对比氧化物半导体薄膜。
对该第二对比氧化物半导体薄膜分别进行了光学实物表征和形貌表征，其光学实物图及薄膜形貌图分别如图5和图6所示。从图5和图6中可以看出，本对比例提供的氧化物半导体薄膜的制作方法，获得了点阵尺寸为8μm左右、厚度为300nm左右的第二对比氧化物半导体薄膜阵列，属于一种小尺寸、多厚度的氧化物半导体薄膜。
将实施例1、对比例1以及对比例2中获得的氧化物半导体薄膜阵列的最小点间距以及厚度分别进行对比，其对比图分别如7和图8所示。从图7和图8中可以看出，在不同的印刷条件下(具体为基底的亲水/疏水程度以及电子墨水的组成)，采用实施例1中的氧化物半导体薄膜的制作方法，一方面通过对基底进行疏水处理，可使最小点间距由90μm左右降低至50μm左右，氧化物半导体薄膜阵列的集成度得以极大的提高；另一方面通过添加功能试剂来配制电子墨水，可使氧化物半导体薄膜的厚度从300nm左右降低至12nm左右。
实施例2
在实施例2的描述中，与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。实施例2与实施例1的不同之处在于，在步骤S2中，电子墨水中PVP 1300000的浓度为0.05mg/mL、且氧化物半导体的前驱体溶液为0.02mol/L的In(NO3)3水溶液。
本实施例获得的氧化物半导体薄膜阵列具有与实施例1中的氧化物半导体薄膜阵列相当的光学实物图及薄膜形貌图。
实施例3
基于上述实施例1和实施例2所提供的氧化物半导体薄膜的制作方法能够制作小尺寸、少厚度的氧化物半导体薄膜，可将其应用于氧化物薄膜晶体管领域中，以作为其中的有源层，以获取高性能的氧化物薄膜晶体管。
具体参照图9，本实施例提供的氧化物薄膜晶体管为底栅型；该氧化物薄膜晶体管包括依次叠层设置的栅极11、介电层12、有源层13，以及相对设置在该有源层13的两端、且均与介电层12接触的源极14和漏极15。
具体来讲，该有源层13即由小尺寸、少厚度的氧化物半导体薄膜形成。
以下，将详细介绍本实施例的底栅型氧化物薄膜晶体管的制作方法；根据本实施例的底栅型氧化物薄膜晶体管的制作方法包括下述步骤：
Q1、在栅极上制作介电层。
在本实施例中，栅极和介电层均采用包括300nm厚的热氧化二氧化硅的硅片。
Q2、在介电层上制作有源层。
在介电层上制作有源层，其实质为将介电层作为一种基底，因此需首先对其进行疏水处理，具体来讲，通过HMDS修饰热氧化二氧化硅的表面，将其接触角增大至52°±4°，以作为预制作的有源层的改性基底。
然后配制电子墨水。
具体来讲，向氧化物半导体的前驱体溶液中加入功能试剂，获得电子墨水。其中，该功能试剂兼具亲水性和提高粘度作用，如此，该功能试剂一方面可以中和氧化物半导体的前驱体溶液在改性基底表面上的疏水作用，另一方面可利用其高粘度的特性提高该电子墨水的粘度，而在形成墨滴时快速定型。
该功能试剂优选为PVP，一般常用的有PVP 40000和PVP 1300000两种。
当功能试剂具体为PVP 40000，其在电子墨水中的浓度为0.1mg/mL～0.5mg/mL；当功能试剂具体为PVP 1300000时，其在电子墨水中的浓度为0.05mg/mL～0.5mg/mL。
更为具体地，所述氧化物半导体的前驱体溶液为金属硝酸盐的水溶液，优选为In(NO3)3水溶液、Ga(NO3)3水溶液、Zn(NO3)2水溶液中的任意一种或至少两种的混合溶液。
一般地，控制氧化物半导体的前驱体溶液的浓度为0.01mol/L～0.05mol/L；如此，相比现有技术中，该电子墨水中的氧化物半导体的前驱体的浓度较低，后续经退火处理即可获得厚度较小的氧化物半导体薄膜。
在本实施例中，电子墨水中PVP 40000的浓度为0.1mg/mL、且氧化物半导体的前驱体溶液为0.02mol/L的In(NO3)3水溶液。
最后，将电子墨水印刷在经疏水处理的介电层上并形成墨滴，待墨滴干燥后，对墨滴进行退火处理，获得有源层。
在本实施例中，使用DM 2831型喷墨设备将上述电子墨水喷墨印刷于经疏水处理的介电层表面；优选设置印刷前的改性介电层的温度以及印刷过程中喷头的温度均为40℃左右。
一般地，控制墨滴的干燥温度及退火温度均不低于200℃、且不高于氧化物半导体的前驱体的最高活化温度；优选均控制在200℃～350℃的范围内即可。
在本实施例中，采用250℃的热台和250℃的马弗炉分别进行干燥和退火。
墨滴经过干燥及退火处理，一方面可使其中的溶剂得以挥发去除，另一方面其中的氧化物半导体的前驱体在退火处理时热分解形成氧化物半导体，并成膜形成氧化物半导体薄膜，以作为预制作的氧化物薄膜晶体管的有源层。
Q3、在有源层上分别制作源极和漏极。
采用传统的微电子工艺，如磁控溅射钼铌合金并使用剥离工艺(简称lift-off工艺)获得沟道长度为10μm的导电沟道。
如此，即完成了本实施例中的底栅型氧化物薄膜晶体管的制作。当然，如若是制作顶栅型氧化物薄膜晶体管，只需改变栅极的制作工艺、并改变各结构层的制作顺序即可，并不会影响有源层的制作。
鉴于本实施例制作的氧化物薄膜晶体管中的有源层具有小尺寸、少厚度的特点，因此，在单位面积上即可更多地集成氧化物薄膜晶体管，以满足其应用于显示背板时的高像素需求。
实施例4
在实施例4的描述中，与实施例3的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例3的不同之处。实施例4与实施例3的不同之处在于，在本实施例的氧化物薄膜晶体管中，其中有源层中包含的功能试剂具体为0.05mg/mL的PVP1300000。
与本实施例中的氧化物薄膜晶体管相对应地，本实施例的氧化物薄膜晶体管的制作方法与实施例3的氧化物薄膜晶体管的制作方法的不同之处在于，在步骤Q2中，电子墨水中PVP 1300000的浓度为0.05mg/mL、且氧化物半导体的前驱体溶液为0.02mol/L的In(NO3)3水溶液。
为了进一步说明有源层对上述实施例3和实施例4中氧化物薄膜晶体管的性能的影响，进行了对比实验。
对比例3
本对比例采用的氧化物薄膜晶体管的制作方法即现有技术中的一般制作方法，即在制作有源层时同样以介电层作为一种基底，并对热氧化二氧化硅的表面进行了UV亲水处理，以使其接触角接近0°以作为预制作的有源层的亲水基底；同时，仅以与实施例3、实施例4中同浓度的氧化物半导体的前驱体溶液作为墨水；其余参照实施例3和实施例4中所述，获得了对比氧化物薄膜晶体管。
分别对实施例3、实施例4、对比例3中的氧化物薄膜晶体管的归一化转移特性进行了测定，其归一化转移曲线分别如图10-图12所示。通过对比图10-图12，可以看出，实施例3、实施例4和对比例3中获得的氧化物薄膜晶体管的迁移率分别为2.78cm2·V-1·s-1、2.46cm2·V-1·s-1和3.36cm2·V-1·s-1，说明采用上述实施例3、实施例4中的氧化物薄膜晶体管的制作方法获得的氧化物薄膜晶体管性能更好，其实质即上述实施例3、实施例4中的有源层较对比例3中的有源层均匀性更高，更易获得高性能的氧化物薄膜晶体管。
实施例5
在实施例5的描述中，与实施例3的相同之处再次不再赘述，只描述与实施例3的不同之处。实施例5与实施例3的不同之处在于，在本实施例的氧化物薄膜晶体管中，其中有源层中包含的功能试剂分别具体为0.2mg/mL的PVP 40000和0.5mg/mL的PVP 40000。
与本实施例中的两种氧化物薄膜晶体管相对应地，本实施例的氧化物薄膜晶体管的制作方法与实施例3的氧化物薄膜晶体管的制作方法的不同之处在于，在步骤Q2中，电子墨水分别为其中PVP 40000的浓度为0.2mg/mL、且氧化物半导体的前驱体溶液为0.02mol/L的In(NO3)3水溶液，以及其中PVP 40000的浓度为0.5mg/mL、且氧化物半导体的前驱体溶液为0.02mol/L的In(NO3)3水溶液。
对本实施例中的两种氧化物薄膜晶体管的归一化转移特性进行了测定，并将其归一化转移曲线与实施例3中的氧化物薄膜晶体管的归一化转移曲线进行了对比，如图13所示。从图13中可以看出，随着电子墨水中功能试剂的浓度增加，在同等条件下所获得的氧化物薄膜晶体管的电流逐渐减小，氧化物薄膜晶体管的器件性能逐渐变差；一般地，当功能试剂采用PVP 40000时，控制其在电子墨水中的浓度为0.1mg/mL～0.5mg/mL即可。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。