本发明属于薄膜晶体管制备技术领域，具体涉及一种基于al2o3高k介质层的gasno场效应器件及其制备方法。
背景技术：
薄膜晶体管（thin-filmtransistors,tfts）是一种场效应晶体管（field-effecttransistor,fet），由栅电极、介质层、有源层以及源漏电极构成。薄膜晶体管主要应用于平板显示技术中的液晶显示器（liquidcrystaldisplays,lcd）以及有源矩阵有机发光二极管（activematrix/organiclightemittingdiode:amoled）。除在显示领域较为成熟的应用之外，薄膜晶体管还可应用于仿生传感器、神经网络和人工智能等新兴领域，成为交叉学科关注的焦点。
目前应用在显示器当中的氧化物tft主要是igzo，但我们都知道in元素是一种稀有元素，在地壳中的丰度仅为0.25ppm（百万分之一），因此价格昂贵，不仅如此，in元素是一种有毒元素，对人体伤害较大。因此，学术界和工业界十分关注无in-tft的开发，希望能找到一种可以媲美igzo的材料。纵观元素周期表，sno2是一种极为优秀的半导体材料，有如下几种优点：①sn3+和in3+具有相似的电子结构[kr]4d105s0，易于实现高迁移率；②地壳丰度为2.2ppm；③耐酸碱腐蚀，具有极强的化学稳定性；④耐机械刻蚀，具有极强的机械应力。另外通过查阅元素周期表我们知道，sn3+和ga3+具有相似的半径，分别为0.69å和0.62å，能够降低半导体薄膜中的结构缺陷，不会严重劣化器件的整体性能，因此gasno作为一种新型的半导体进入了人们的视界。
除了沟道层不含铟元素之外，人们普遍关注的是如何降低器件的成本、功耗以满足未来极大规模电路的需求，以及未来人们在柔性可穿戴领域的期待。与工业界普遍应用的真空沉积法相比，溶液法目前还处在研究阶段，有如下几种优点：①价格低廉；②无等离子体轰击，对衬底的破坏性较小；③对环境要求不高，可大气条件制备。在集成电路晶体管越来越密集的今天，晶体管结构尺寸都必须缩小以满足要求，但是传统的介质层sio2在厚度减薄时由于较小的介电常数会出现较大的栅漏电流，因此必须采用高k介质来取代sio2。氧化铝薄膜是一种高度透明的绝缘体，禁带宽度为8.9ev，和sio2一致，但是其介电常数为9，而sio2仅为3.9。虽然采用al2o3作为tft介质层已有报道，但是去研究无铟gasno沟道层的却未见报道。本文采用al2o3高k介质层，制备出了高性能的gasno薄膜晶体管，具有广阔的应用前景。
本发明提出一种基于al2o3高k介质层的高性能gasno-tft的制备方法，介质层和沟道层均为溶液法。
技术实现要素：
本发明的目的在于提出一种基于al2o3高k介质层的高性能gasno-tft及其制备方法。
本发明提供的gasno-tft器件的制备方法，采用溶液法，具体步骤如下：
（1）制备al2o3前驱体溶液
以乙二醇单甲醚为溶剂，将九水合硝酸铝al(no3)3·9h2o溶解于其中，经1h-5h的时间搅拌后过滤形成澄清透明的溶液，其中，al3+的浓度为0.1mol-0.5mol，所制备得到的溶液置于湿度低于10%rh的手套箱中静置24h-48h；
（2）制备沟道层前驱体溶液
以乙二醇单甲醚为溶剂，将二水合氯化亚锡sncl2·2h2o室温溶解在其中，后加入一定量的ga(no3)3·xh2o，其摩尔浓度比为ga:sn=0.1-0.3，经1h-5h的时间搅拌后形成澄清透明的溶液，搅拌温度为25℃-60℃，总浓度为0.1mol-0.3mol；
（3）tft器件的制备
将步骤（1）制备得到的al2o3前驱体溶液旋转涂覆于清洗好的p型硅基片上，经过热处理，形成致密的al2o3介质层，将步骤（2）制备得到的gasno前驱体溶液旋转涂覆于al2o3介质层上，经过热处理，形成致密的gasno沟道层，最后在沟道层表面沉积ito或al电极。见图7所示。
本发明中，所述al2o3前驱体溶液的旋转涂覆速度为3000-5000rpm，涂覆时间为30s-60s，所述gasno前驱体溶液的旋转涂覆速度为3000-4000rpm，涂覆时间为20s-40s。
本发明中，所述热处理包括预退火处理和高温退火处理。其中：
al2o3前驱体薄膜的预退火处理温度为150℃-250℃，预退火处理时间为10min-30min；gasno前驱体薄膜的预退火处理温度为100℃-150℃，预退火处理时间为5min-20min。
al2o3前驱体薄膜的高温退火温度为350℃-500℃，高温退火时间为30min-2h；gasno前驱体薄膜的高温退火温度为300℃-400℃，高温退火时间为30min-2h。
本发明中，ito电极的沉积方法为射频磁控溅射法，al电极的沉积方法为真空蒸发法。
本发明各层的制备均是将前驱体溶液调到一定浓度再单次制备，这样做的好处是，避免每次旋涂因为基底不同而造成薄膜质量劣化，所制备得到的al2o3薄膜具有平整的表面，5μm×5μm范围内的均方根粗糙度小于1nm，采用上述介质层制备得到的gasno场效应器件具有极好的性能，最佳的性能参数为场效应迁移率76.3cm2v-1s-1，饱和迁移率71.6cm2v-1s-1，开关比1.8×107，阈值电压0.67v，亚阈值摆幅76mvdec-1。
附图说明
图1为实施例中制备的al2o3薄膜的原子力显微镜表面形貌。
图2为实施例中制备的al2o3薄膜的漏电性能以及电容-频率特性。
图3为实施例中制备的al2o3薄膜的xrd衍射图。
图4为ga掺杂含量为20at.%，退火温度为350℃，退火时间为60min的gasno器件的电学特性：（a）转移特性曲线；（b）输出特性曲线。
图5为ga掺杂含量为10at.%，退火温度为350℃，退火时间为60min的gasno器件的电学特性：（a）转移特性曲线；（b）输出特性曲线。
图6为ga掺杂含量为20at.%，退火温度为300℃，退火时间为60min的gasno器件的电学特性：（a）转移特性曲线；（b）输出特性曲线。
图7为本发明制备的gasno场效应器件结构示意图。
具体实施方式
下面通过实例进一步阐述本发明。
实施例1，一种基于al2o3介质层的gasno场效应器件的制备方法，具体步骤如下：
（1）制备al2o3前驱体溶液
以乙二醇单甲醚为溶剂，将九水合硝酸铝al(no3)3·9h2o溶解于其中，经2h的时间搅拌后过滤形成澄清透明的溶液，其中al3+的浓度为0.1mol，所制备得到的溶液置于湿度低于10%rh的手套箱中静置48h；
（2）制备沟道层前驱体溶液
以乙二醇单甲醚为溶剂，将0.1mol的二水合氯化亚锡sncl2·2h2o室温溶解在其中，后加入20at.%ga(no3)3·xh2o，经2h的时间搅拌后形成澄清透明的溶液，搅拌温度为室温，所制备得到的溶液置于湿度低于10%rh的手套箱中静置48h；
（3）tft器件的制备
将步骤（1）制备得到的al2o3前驱体溶液旋转涂覆于清洗好的p型硅基片上，经热处理之后形成致密的al2o3介质层，将步骤（2）制备得到的gasno前驱体溶液旋转涂覆于al2o3介质层上，经热处理之后，形成致密的gasno沟道层，最后在沟道层表面沉积ito电极。
所述的al2o3前驱体溶液的转速为3500rpm，时间为30s，所述的gasno前驱体溶液的转速为3000rpm，时间为30s。
所述的al2o3前驱体薄膜的预退火温度为220℃，预退火处理时间为5min，所述的gasno前驱体薄膜的预退火温度为150℃，预退火处理时间为20min。
所述的al2o3前驱体薄膜的高温退火温度为450℃，高温退火时间为30min，所述的gasno前驱体薄膜的高温退火温度为350℃，高温退火处理时间为60min。
所述的ito电极的沉积功率为60w，沉积时间为3min。
制备得到的al2o3薄膜的afm形貌如图1所示，均方根粗糙度为0.733nm。图2为制备的al2o3薄膜的漏电性能以及电容-频率特性，20hz频率下的单位面积电容值为233nf/cm2，2v处的漏电流密度低于10-9a/cm2。图3为制备的al2o3薄膜的xrd衍射图，晶体结构显示al2o3薄膜为非晶。图4（a）和（b）分别为制备得到的gasno器件的转移特性曲线和输出特性曲线，从转移曲线图中计算得到的场效应迁移率76.3cm2v-1s-1，饱和迁移率71.6cm2v-1s-1，开关比1.8×107，阈值电压0.67v，亚阈值摆幅76mvdec-1。
实施例2
制备条件同实施例1。前驱体中ga的含量为10at.%，退火温度为350℃，退火时间为60min。从转移曲线图中计算得到的场效应迁移率83.5cm2v-1s-1，饱和迁移率77.8cm2v-1s-1，开关比1.5×106，阈值电压0.45v，亚阈值摆幅150mvdec-1。
实施例3
制备条件同实施例1。前驱体中ga的含量为20at.%，退火温度为300℃，退火时间为60min。从转移曲线图中计算得到的场效应迁移率32.1cm2v-1s-1，饱和迁移率23.8cm2v-1s-1，开关比4.0×105，阈值电压0.77v，亚阈值摆幅167mvdec-1。