基于壳聚糖和掺杂锌离子的高性能P型薄膜晶体管的制备方法

本发明属于薄膜晶体管，涉及一种基于壳聚糖和掺杂锌离子的高性能p型薄膜晶体管的制备方法，该方法可以在空气环境中制备出基于碘化亚铜沟道的p型高性能薄膜晶体管的制备方法。

背景技术：

1、碘化亚铜是近年来备受关注的p型半导体，由于其高本征霍尔迁移率、高光学透明度以及可以低温下合成等优点，使得将其用作p型薄膜晶体管的导电沟道成为可能。常见的制备碘化亚铜薄膜的方式主要有铜膜碘化法、热蒸发法、磁控溅射法以及溶液旋涂法等，其中溶液旋涂法由于其简单的操作步骤、低廉的实验成本目前被广泛应用于p型薄膜晶体管的碘化亚铜沟道薄膜的制备中。然而由于碘化亚铜材料内部空穴过多导致制备出的薄膜晶体管器件迁移率和开关比等性能参数都很低，进而导致制备出的薄膜晶体管器件实际应用价值较低。

2、为了解决器件性能低下的问题，近年来不同学者提出过例如退火、钝化以及掺杂等方式来提高器件性能。退火和钝化处理对器件的性能改进效果十分有限。通过掺杂金属离子如锌离子得到的器件性能可以明显提升，但由于空气中水汽的影响通常该方法制备的器件不能暴露于空气中，因此从制备到测试全程必须处在手套箱环境中，制备出的薄膜晶体管并不具备实际应用价值，限制了该研究方向的发展。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种基于壳聚糖栅极绝缘层和掺杂锌离子的碘化亚铜沟道层的p型薄膜晶体管的制备方法，用以解决该类型器件制备过程中经常出现的沟道层薄膜受水汽影响而凝聚的现象，提供一种可以用于在室温环境下制备的高性能碘化亚铜薄膜晶体管的制备方法。

2、本发明的目的可以通过下列技术方式来实现：

3、使用壳聚糖溶液作为薄膜晶体管的栅极氧化层取代传统的氧化硅/氧化铝等无机栅氧层，将碘化锌掺杂入碘化亚铜溶液中，通过旋涂的方式制备出薄膜晶体管的p型半导体沟道层，具体操作步骤如下:

4、步骤s1：对衬底进行清洗、烘干，通过磁控溅射的方式溅射一层氧化铟锡(ito)薄膜作为薄膜晶体管的栅电极；

5、步骤s2：以水和乙酸为溶剂，将壳聚糖粉末溶解在溶剂中，搅拌均匀，静置至没有气泡；将壳聚糖溶液均匀滴在溅射有ito电极表面，将衬底置于热板上以30℃-100℃的温度加热，直至形成完整均匀没有气泡的壳聚糖薄膜作为栅极氧化层；

6、步骤s3：将碘化亚铜粉末和碘化锌粉末在试剂瓶中按照一定比例混合均匀，加入乙腈溶液，搅拌均匀，静置一夜，即可以得到掺杂锌离子的碘化亚铜溶液，使用0.2微米孔径的滤嘴对配置好的溶液进行过滤；

7、步骤s4：使用氧等离子清洗的方法对壳聚糖薄膜表面进行处理，去除壳聚糖薄膜表面的有机物杂质；

8、步骤s5：将掺杂锌离子的碘化亚铜溶液滴加在壳聚糖薄膜表面，使用匀胶机进行匀胶，得到一层均匀的掺杂锌离子的碘化亚铜薄膜作为薄膜晶体管的沟道层，以实现高性能的p型半导体器件；

9、步骤s6：使用掩模版对器件进行掩模，用磁控溅射的方法在碘化亚铜沟道层上溅射一层金属材料作为器件的源漏电极；

10、步骤s7：去除衬底末端的壳聚糖薄膜(可使用小刀划破玻璃衬底末端的壳聚糖)，使衬底上的ito电极裸露在外；

11、步骤s8：利用探针台的探针在显微镜下对碘化亚铜半导体沟道层实现图形化，即可得到所述高性能p型薄膜晶体管。

12、进一步地，图形化后的碘化亚铜沟道层的长度和宽度沟道尺寸为100微米-1毫米尺度。

13、进一步地，器件衬底可采用玻璃，也可以替换为pet(聚对苯二甲酸乙二酯)柔性衬底等材料。

14、进一步地，源漏电极可采用金，也可以替换为铜或者铂等金属材料。

15、进一步地，碘化亚铜溶液中锌离子的掺杂比例也可以根据实验人的需求进行调节，锌和铜的摩尔比为1:10-200，其中摩尔比为1:40时器件性能达到最佳。

16、进一步地，碘化亚铜薄膜的厚度可以根据器件的需求自行调节，通过调整碘化亚铜溶液浓度或旋涂沟道层时匀胶机转速来控制碘化亚铜沟道层的厚度，具体可以为15nm-40nm。

17、上述方法制备的薄膜晶体管器件结构，包括：ito栅电极、壳聚糖栅极氧化层、半导体沟道层、源漏电极层。其中，栅电极是由透明的ito作为导电材料，源漏电极是由金作为导电材料。

18、本发明原理如下：壳聚糖是一种阳离子生物聚合物(一种线性β(1,4)连接的多糖)，是由几丁质去乙酰化及其分子结构衍生而来的。在潮湿环境下，壳聚糖分子与水反应生成oh-阴离子和正质子化侧链-(ch2)nh3+，如图2所示。由于以乙酸为溶剂，可逆反应会朝正方向进行，最后出现质子化的氨基。由于-(ch2)nh3+基团具有良好的氢键能力，这使得壳聚糖电介质具有很强的亲水性，能够吸收水分，避免碘化亚铜薄膜因为吸收空气中的水分而凝聚。同时，锌离子占据铜空位，锌离子取代铜离子位点并产生额外的电子，从而降低了碘化亚铜薄膜中的空穴浓度，提高了栅极对于沟道层导电性的调控能力，如图3所示。

19、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

20、(1)采用壳聚糖为栅极氧化层，避免了空气中的水汽导致碘化亚铜沟道层遇水凝聚进而器件不导电的可能性。

21、(2)通过掺杂锌离子取代铜离子位点产生额外的电子，进而降低导电沟道中的空穴浓度，提高了薄膜晶体管器件中栅极对于沟道层导电性的调控能力，大幅度提高了器件的开关比等电学参数。

22、(3)制备过程可以全程在空气环境中进行而不需在手套箱中，使得工艺流程更加简单，实验条件更加易得。

23、(4)实验完成后壳聚糖薄膜以及上面的半导体沟道层和源漏电极可以撕下来，ito栅极玻璃可以重复使用，降低了实验成本，减少了器件制备过程中所需要的时间。

技术特征：

1.一种基于壳聚糖和掺杂锌离子的高性能p型薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于壳聚糖和掺杂锌离子的高性能p型薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述衬底材料为玻璃或pet。

3.根据权利要求1所述的基于壳聚糖和掺杂锌离子的高性能p型薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，步骤s3中，锌和铜的摩尔比为1:10-200。

4.根据权利要求3所述的基于壳聚糖和掺杂锌离子的高性能p型薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，锌和铜的摩尔比为1:40。

5.根据权利要求1所述的基于壳聚糖和掺杂锌离子的高性能p型薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，步骤s5中，掺杂锌离子的碘化亚铜薄膜的厚度为15nm-40nm。

6.根据权利要求1所述的基于壳聚糖和掺杂锌离子的高性能p型薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，步骤s6中，源漏电极的材料为金、铜或者铂。

7.根据权利要求1所述的基于壳聚糖和掺杂锌离子的高性能p型薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，步骤s8中，图形化后的碘化亚铜沟道层的长度和宽度沟道尺寸为100微米-1毫米尺度。

技术总结
本发明提出一种空气环境制备高性能的碘化亚铜沟道P型薄膜晶体管器件的制备方法。本发明方法制备的器件自下而上包括衬底、ITO(氧化铟锡)栅电极、壳聚糖栅极氧化层、碘化亚铜沟道层、金属源漏电极。本发明通过采用有机物壳聚糖为薄膜晶体管的栅极氧化层实现了对于空气中水汽的吸收，避免了常见的旋涂碘化亚铜溶液过程中沟道层颗粒凝聚进而导致不导电的情况，从而成功实现了碘化亚铜薄膜晶体管在空气环境下的制备，减少了该类型实验的实验成本，通过掺杂锌离子，锌离子占据铜空位，取代铜离子位点并产生额外的电子减少了沟道层中多余空穴浓度，提高了栅极对于沟道电流的调制能力，从而实现了高性能的薄膜晶体管器件。

技术研发人员：张俊峰,叶志
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27