CN102867756A

CN102867756A - 一种金属氧化物薄膜场效应晶体管有源层的制备方法

Info

Publication number: CN102867756A
Application number: CN2012103661882A
Authority: CN
Inventors: 潘革波; 肖燕
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2013-01-09

Abstract

本发明涉及电子材料制作领域，尤其是指一种金属氧化物薄膜场效应晶体管有源层的制备方法，其步骤包括：A：将由金属盐、粘合剂和有机溶剂形成的前驱体，利用静电纺丝技术将所述前驱体喷射至接收板上；B:将步骤A所述的前驱体置于马弗炉中400～800℃煅烧2～4h。本发明通过电纺丝技术制备的有源层实现低成本、大规模的纳米尺度、高性能场效应晶体管的制作。该制备方法要求的环境很宽松，不需要在手套箱等无水无氧环境下实施，简化了工艺，且制得的有机电子器件具有很强的抗水氧能力，很好地简化了有源层的制作方法，同时改善了有源层的性能，获得高性能的场效应晶体管。

Description

一种金属氧化物薄膜场效应晶体管有源层的制备方法

技术领域

本发明涉及电子材料技术领域，尤其涉及一种采用静电纺丝制备金属氧化物薄膜场效应晶体管有源层的方法。

背景技术

随着信息时代的到来，显示器正加速向平板化、节能化的方向发展，其中以薄膜晶体管（TFT）为开关的有源阵列矩阵驱动显示器成为众多平板显示技术中的佼佼者。金属氧化物半导体TFT具有低温生长、高迁移率、大的电流开关比的优点。同时又能提高显示器的响应速度，满足高清晰、大容量终端显示的要求，具有取代Si基器件成为下一代薄膜晶体管技术的可能，有很大的应用前景。

目前，用于制备金属氧化物薄膜晶体管有缘层的方法主要有真空沉积，溶液旋涂和喷墨印刷方法。真空沉积需要较严格真空设备，操作复杂，而且生产成本高，不利于工业化生产。旋涂成膜容易出现针孔现象，膜不连续，对器件性能产生很大的影响。而喷墨印刷存在着对墨水的粘度、表面张力等物理化学性质要求极为苛刻，同时印刷设备本身的成本高的缺陷。因此，开发一种低成本，同时能更好地改善有缘层薄膜质量的制备方法来获得高性能的金属氧化物晶体管显得尤为迫切。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种金属氧化物薄膜场效应晶体管有源层的制备方法，其步骤包括：

A：将粘合剂、有机溶剂和含有锌、铟、镓或锡中至少一种元素的金属盐混合形成的前驱体，利用静电纺丝技术将所述前驱体喷射至接收板上，从而形成复合纳米纤维膜；

B:将步骤A所获得的复合纳米纤维膜在400～800℃煅烧2～4h，从而获得金属氧化物薄膜场效应晶体管的有源层。

其中，所述金属盐与所述粘合剂的质量比为1~15:1~5。

其中，所述金属盐为醋酸锌、硝酸铟、硝酸镓、硝酸锡或亚硝酸锡中至少一种；所述粘合剂为聚乙烯吡咯烷酮。

为了让金属盐及粘合剂充分混合均匀，步骤A中所述前驱体溶液的制备步骤为：将所述金属盐、粘合剂在所述有机溶剂中混合，搅拌1～4h。

其中，所述有机溶剂为氯仿、乙醇、丙酮、二氯甲烷或甲苯中的一种。

其中，所述粘合剂为聚乙烯基吡咯烷酮，聚乙烯醇，聚乙烯，聚(丁二烯-苯乙烯)，聚酰胺，聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。

其中，所述电纺丝法，是在10～100KV电压下将所述组合物喷射到接收板上。

进一步地，所述电纺丝法的工作设备包括喷丝管，所述喷丝管的管头内径为0.5～5mm；所述喷丝管到所述接收板的距离为5～15cm。

进一步地，本发明方法适合多种结构的金属氧化物薄膜场效应晶体管的制作，具体为底栅-顶接触、底栅-底接触、顶栅-底接触、顶栅-顶接触的结构中的一种。

其中，所述金属氧化物薄膜场效应晶体管还包括源极和漏极，所述源极和漏极的制作方法是气溶胶印刷法、喷墨印刷法、磁控溅射、光刻、真空蒸镀沉积之一。

其中，所述源极和漏极的材质是金、银、铜或PEDOT:PSS聚合物材料中的一种。

有益效果：本发明提供了一种金属氧化物薄膜场效应晶体管其有源层的制作方法。通过电纺丝技术实现低成本、大规模的纳米尺度、高性能场效应晶体管的制作。同时，该制备方法要求的环境很宽松，不需要在手套箱等无水无氧环境下实施，简化了工艺，且制得的有机电子器件具有很强的抗水氧能力，很好地简化了有源层的制作方法，同时改善了有源层的性能，获得高性能的场效应晶体管。

附图说明

图1为本发明实施例1底栅-顶接触型的金属氧化物薄膜场效应晶体管的结构示意图。

图2为本发明实施例1有源层的制作流程图。

图3为本发明实施例1有源层的形貌示意图。

图4为本发明实施例2顶栅-顶接触型的金属氧化物薄膜场效应晶体管的结构示意图。

图5为本发明实施例3顶栅-底接触型的金属氧化物薄膜场效应晶体管的结构示意图。

图6为本发明实施例4底栅-底接触型的金属氧化物薄膜场效应晶体管的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明具体实施例进行详细叙述。

实施例1

本实施例以底栅-顶接触型的金属氧化物薄膜场效应晶体管为例。如图1所示，这种金属氧化物薄膜场效应晶体管从下至上依次为衬底1、栅电极2、绝缘层3、有源层5、源极4a和漏极4b。其中，有源层5的制备方法如下：

本实施例中采用醋酸锌为原材料。结合图2中的步骤S101至S103，本实施例有源层的制作流程：在常温（约20°C）下，首先，将1.5g醋酸锌溶解在10ml乙醇溶剂中，再往该溶液中加入0.5g聚乙烯吡咯烷酮继续搅拌1h从而获得醋酸锌的前驱体。然后将上述获得的前驱溶液置于静电纺丝设备的喷丝管中，其中，喷丝管的管头内径为0.5mm；同时将待沉积有源层5的绝缘层3表面作为接受板接地，喷丝管到接受板的距离为5cm。在10KV电压下通过静电纺丝的喷丝管，将所述前驱体喷射到接受板（即绝缘层3）表面上。在20°C-150°C下用红外灯进行加热，待乙醇挥发，形成复合纳米纤维膜。

然后将所获得的复合纳米纤维膜置于马弗炉中在空气氛围中经400°C煅烧4h，前驱体中的醋酸锌受热氧化，从而获得ZnO纳米纤维膜如图3所示，即可作为有源层5制作在氧化锌薄膜场效应晶体管上。

进一步地，本实施例的衬底1为玻璃，然后依次在衬底1上制作栅电极2、绝缘层3和有源层5、源极4a和漏极4b。其中源极4a和漏极4b的制作材料为银，通过喷墨印刷的方法制作，可形成底栅-顶接触型的ZnO基薄膜场效应晶体管。

实施例2

本实施例制作顶栅-顶接触型的金属氧化物薄膜场效应晶体管，如图4所示。本实施例的金属氧化物薄膜场效应晶体结构为：从下至上依次为衬底1、有源层5、源极4a和漏极4b、绝缘层3、栅电极2。其中，有源层5的制备方法如下：

本实施例中采用醋酸锌和硝酸锡的混合物为原材料。结合图2中的步骤S101至S103，本实施例有源层的制作流程：在常温（约20°C）下，首先，将0.4g醋酸锌和0.43g硝酸锡溶解在10ml氯仿溶剂中，再往该溶液中加入0.83g聚乙烯醇继续搅拌2h从而获得醋酸锌和硝酸锡的前驱体。然后将上述获得的前驱体置于静电纺丝设备的喷丝管中，其中，喷丝管的管头内径为0.5mm；同时将待沉积有源层5的表面作为接受板接地，喷丝管到接受板的距离为10cm。在15KV电压下通过电纺丝的喷丝管，将所述混合体系喷射到接受板（即衬底1）表面上。在20°C-150°C下用红外灯进行加热，待溶剂挥发，形成复合纳米纤维膜。

然后将所获得的复合纳米纤维膜置于马弗炉中在空气氛围中经800°C煅烧2h从而获得ZnSnO复合纳米纤维膜，即可作为有源层5制作ZnSnO基薄膜场效应晶体管上。

进一步地，本实施例的衬底1为陶瓷，源极4a和漏极4b的制作材料为银，通过喷墨印刷的方法制作在所述有源层5上方。然后依次在源极4a、漏极4b及其之间的有源层5上制作绝缘层3、栅电极2，形成顶栅-顶接触型的ZnSnO基场效应晶体管。

实施例3

本实施例制作顶栅-底接触型的金属氧化物薄膜场效应晶体管，如图5所示。本实施例的金属氧化物薄膜场效应晶体管结构为：从下至上依次为衬底1、源极4a和漏极4b、有源层5、绝缘层3、栅电极2。

本实施例中采用硝酸铟为原材料。结合图2中的步骤S101至S103，本实施例有源层的制作流程：在常温（约20°C）下，首先，将0.08g硝酸铟溶解在10ml丙酮溶剂中，再往该溶液中加入0.08g聚丙烯腈继续搅拌2h从而获得In₂O₃的前驱体。然后将上述获得的前驱体置于静电纺丝设备的喷丝管中。其中，喷丝管的管头内径为0.5mm；同时将待沉积有源层5的表面作为接受板接地，喷丝管到接受板的距离为15cm。在20KV电压下通过电纺丝的喷丝管，将所述前驱体喷射到接受板（即源极4a、漏极4b及两者之间的衬底1）表面上。在20°C-150°C下用红外灯进行加热，待溶剂挥发，形成复合纳米纤维膜。

然后将所获得的复合纳米纤维膜置于马弗炉中在空气氛围中经500°C煅烧3h从而获得In₂O₃复合纳米纤维膜，即可作为有源层5制作In₂O₃基薄膜场效应晶体管上。

进一步地，本实施例的衬底1为硅，源极4a和漏极4b的制作材料为铜，通过磁控喷射工艺制作在所述衬底1上方。然后依次在源级、漏极4b及其之间的衬底1上制作有源层5、绝缘层3、栅电极2，形成顶栅-底接触型的In₂O₃基场效应晶体管。

实施例4

本实施例制作底栅-顶接触型的金属氧化物场效应晶体管，如图6所示。本实施例的金属氧化物场效应晶体结构为：从下至上依次为衬底1、栅电极2、绝缘层3、有源层5、源极4a和漏极4b。

本实施例中采用硝酸镓为原材料。结合图2中的步骤S101至S103，本实施例有源层的制作流程：在常温（约20°C）下，首先，将1.56g硝酸镓溶解在10ml二氯甲烷溶剂中，再往该溶液中加入0.78g聚甲基丙烯酸甲酯中继续搅拌3h从而获得Ga₂O₃的前驱体。然后将上述获得的前驱体置于静电纺丝设备的喷丝管中。其中，喷丝管的管头内径为0.5mm；同时将待沉积有源层5的表面作为接受板接地，喷丝管到接受板的距离为15cm。在20KV电压下通过电纺丝的喷丝管，将所述混合体系喷射到接受板（即绝缘层3）表面上。在20°C-150°C下用红外灯进行加热，待溶剂挥发，形成复合纳米纤维膜。

然后将所获得的复合纳米纤维膜置于马弗炉中在空气氛围中经600°C煅烧1.5h从而获得Ga₂O₃复合纳米纤维膜，即可作为有源层5制作Ga₂O₃基薄膜场效应晶体管上。

进一步地，本实施例衬底1为塑料，在塑料衬底1上依次制作栅电极2、绝缘层3、源极4a和漏极4b、以及有源层5。其中源极4a和漏极4b的制作材料为PEDOT:PSS聚合物，通过光刻工艺制作在所述有源层5上方，形成底栅-顶接触型的Ga₂O₃薄膜场效应晶体管。

在其他实施例中，控制所述金属盐与粘合剂的质量比在1~15:1~5的范围内。配制前驱体的搅拌时间需要1~4小时；所述静电纺丝法工作电压控制在10～100KV，其喷丝管的管头内径为0.5～5mm；喷丝管到所述接收板的距离为5～15cm，煅烧前驱体的温度控制在400~800℃，反应时间在1.5~4小时之间。在上述参数范围内制作的有源层均能到较好的质量和性能。

另外，这种金属氧化物薄膜场效应晶体管的有源层制作，衬底的材质为玻璃、陶瓷、硅、塑料中的至少一种；源极、漏极的材质为金、银、铜、PEDOT:PSS聚合物中至少一种；且源极、漏极的制作方法是气溶胶印刷法、喷墨印刷法、磁控溅射、光刻或真空蒸镀沉积法之一。

本发明公开了一种金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，通过电纺丝技术实现了低成本、大规模纳米尺度高金属氧化物薄膜场效应晶体管的大规模制作。同时，该制备方法要求的环境很宽松，不需要在手套箱等无水无氧环境下实施，简化了工艺，很好的改善了有源层膜的制备方法。

Claims

1.一种金属氧化物薄膜场效应晶体管有源层的制备方法，其特征在于，其步骤包括：

A：将粘合剂、有机溶剂和含有锌、铟、镓或锡中至少一种元素的金属盐混合形成的前驱体，利用静电纺丝技术将所述前驱体喷射至接收板上形成复合纳米纤维膜；

2.根据权利要求1所述有源层的制备方法，其特征在于，所述金属盐与所述粘合剂的质量比为1~15:1~5。

3.根据权利要求1或2所述有源层的制备方法，其特征在于，所述金属盐为醋酸锌、硝酸铟、硝酸镓、硝酸锡或亚硝酸锡中至少一种。

4.根据权利要求1所述有源层的制备方法，其特征在于，步骤A中所述前驱体溶液的制备步骤为：将所述金属盐、粘合剂在所述有机溶剂中混合，搅拌1～4h。

5.根据权利要求1所述有源层的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为氯仿、乙醇、丙酮、二氯甲烷或甲苯中的一种。

6.根据权利要求1所述有源层的制备方法，其特征在于，所述粘合剂为聚乙烯基吡咯烷酮，聚乙烯醇，聚乙烯，聚(丁二烯-苯乙烯)，聚酰胺，聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。

7.根据权利要求1所述有源层的制备方法，其特征在于，所述电纺丝法，是在10～100KV电压下将所述组合物喷射到接收板上。

8.根据权利要求1所述有源层的制备方法，其特征在于，所述电纺丝法的工作设备包括喷丝管，所述喷丝管的管头内径为0.5～5mm；所述喷丝管到所述接收板的距离为5～15cm。

9.根据权利要求1所述有源层的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物薄膜场效应晶体管为底栅-顶接触、底栅-底接触、顶栅-底接触、顶栅-顶接触的结构中的一种。

10.根据权利要求1所述有源层的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物薄膜场效应晶体管还包括源极和漏极，所述源极和漏极的制作方法是气溶胶印刷法、喷墨印刷法、磁控溅射、光刻、真空蒸镀沉积之一。

11.根据权利要求9所述有源层的制备方法，其特征在于，所述源极和漏极的材质是金、银、铜或PEDOT:PSS聚合物材料中的一种。