CN103972095B - 金属氧化物薄膜场效应晶体管的制备方法 - Google Patents

金属氧化物薄膜场效应晶体管的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种金属氧化物薄膜场效应晶体管的制备方法，包括在衬底上制作有源层的工序，所述的有源层是通过气体喷印工艺将金属氧化物喷印到接收层上形成的；其中，所述气体喷印工艺的步骤包括：S1、对金属氧化物进行加热使之升华成气雾；S2、将所述气雾喷射到接收层上。本发明通过气体喷印工艺实现了低成本、纳米尺度高效金属氧化物薄膜场效应晶体管的制作，具有操作简单，定位准确，应用范围广的优点；无需将固体溶解配成溶液，既可以克服喷墨打印、电纺丝等纳米制造技术中溶液配置带来的困扰，同时又能克服传统PVD、CVD和真空蒸镀过程中存在的难分离，无法准确定位的缺点。

Description

金属氧化物薄膜场效应晶体管的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体场效应晶体管器件的制备方法，尤其涉及一种金属氧化物薄膜场效应晶体管有源层的制备方法。
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。
众所周知，决定金属氧化物场效应晶体管性能的主要因素是有源层薄膜的结构和形貌。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。真空沉积法是通过直接将材料加热升华然后沉积至相应的基底，不受材料的溶解度和溶剂等因素影响，具有应用范围广优点，但是真空沉积通常用于大面积沉积，难以实现微区乃至纳米级范围内纳米材料的制备及图形化器件的构筑，为此人们开始使用溶液法来实现微区纳米材料的制备及微区图案化纳米器件的构筑，目前用于构筑图形化纳米材料的方法主要打印和电纺丝技术，这两种技术均可在室温条件下实现微区范围内纳米材料的制备及图形化器件的构筑，但是在实际应用中对材料的溶解性要求高，特别是对于很多难溶甚至微溶物质无法适用，同时在加工工艺中对溶剂选择，黏度，表面张力等物理化学性质及环境因素要求比较苛刻，工艺难以得到稳定控制。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种金属氧化物薄膜场效应晶体管的制备方法，包括在衬底上制作有源层的工序，所述的有源层是通过气体喷印工艺将金属氧化物喷印到接收层上形成的；其中，所述气体喷印工艺的步骤包括：
S1、对金属氧化物进行加热使之升华成气雾；
S2、将所述气雾喷射到接收层上。
其中，对金属氧化物进行加热的温度范围为1000℃~2200℃。
优选的，所述金属氧化物为氧化锡、氧化锌、三氧化二铟和氧化镓中的一种或者其中两种以上的组合物。
进一步的，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。
优选的，所述衬底的材质为玻璃、陶瓷、硅、塑料中的至少一种。
所述场效应晶体管包括源电极和漏电极，所述源电极和漏电极的材质为金、银、铜、PEDOT:PSS聚合物中至少一种；进一步的，所述源电极和漏电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。
本发明的有益效果主要体现在：本发明通过气体喷印工艺实现了低成本、纳米尺度高效金属氧化物薄膜场效应晶体管的制作，具有操作简单，定位准确，应用范围广的优点；无需将固体溶解配成溶液，既可以克服喷墨打印、电纺丝等纳米制造技术中溶液配置带来的困扰，同时又能克服传统PVD、CVD和真空蒸镀过程中存在的难分离，无法准确定位在源、漏电极之间制备有源层的缺点。
附图说明
图1为本发明实施例的气体喷印装置的的结构示意图；
图2为本发明实施例1的基于底栅-顶接触的金属氧化物薄膜场效应晶体管的结构示意图；
图3为本发明实施例2的基于顶栅-顶接触的金属氧化物薄膜场效应晶体管的结构示意图；
图4为本发明实施例3的基于底栅-底接触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4的基于顶栅-底接触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
如前所述，为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种金属氧化物薄膜场效应晶体管的制备方法，该场效应晶体管包括衬底、栅电极、绝缘层、有源层、源极和漏极，所述有源层是通过气体喷印工艺将金属氧化物喷印到接收层上形成的；其中，所述气体喷印工艺步骤包括：
S1、对金属氧化物进行加热使之升华成气雾；
S2、将所述气雾喷射到接收层上。
本发明中气体喷印工艺所使用的气体喷印装置的结构如图1所示，该装置包括：
气化室1，所述气化室1具有一收容空间，所述气化室1包括加热装置2和用于放置样品的物料室3；与气化室1相连的进气管4，所述进气管4用于通入载气；与气化室1相连的出气管5，所述出气管5用于输送气雾；出气管5的末端设置有喷射装置6，所述喷射装置6包括喷头和载气管12；以及，设置于喷射装置6前方的接受装置7，用于接收来自喷射装置6的气雾。
所述的加热装置2位于物料室3的下方；或者是，所述的加热装置2环绕于物料室3的四周。
进一步的，该装置还包括分别设置于进气管4、出气管5和载气管12上的质量流量计10，9，11，用于控制载气和样品气雾的流速。
优选的，所述出气管5连接有加热套8；所述加热套8用于防止气雾在出气管5内凝结；在出气管较短或者长度忽略不计的时，也可不设有加热套。
优选的，所述喷射装置的开口直径为50nm~1mm。
优选的，所述接受装置7与喷射装置6的喷头之间的距离小于2 cm。
本发明通过气体喷印工艺实现了低成本、纳米尺度高效金属氧化物薄膜场效应晶体管的制作，具有操作简单，定位准确，应用范围广的优点；无需将固体溶解配成溶液，既可以克服喷墨打印、电纺丝等纳米制造技术中溶液配置带来的困扰，同时又能克服传统PVD、CVD和真空蒸镀过程中存在的难分离，无法准确定位在源、漏电极之间制备有源层的缺点。
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2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21、栅电极22、绝缘层23、有源层25、源电极24a和漏电极24b。其中，有源层25的制备方法如下：
将沉积有栅电极22和绝缘层23的衬底21放置在气体喷印装置的接受装置上，调整喷印装置的喷射装置使之位于源电极24a和漏电极24b位置之间的正上方，使绝缘层23作为接收层；将氧化锡（SnO2）放入气体喷印装置中，对氧化锡（SnO2）进行加热使之升华成气雾，其中加热的温度按50℃/min 的速度升至1000℃；加热2 min 钟后，通过喷射装置控制所述气雾喷射到接收层（即绝缘层23）上，所述气雾喷射到接收层后快速结晶，在源电极24a和漏电极24b位置之间的沟道中获得SnO2纳米晶作为有源层。
下面，将对这种底栅-顶接触的金属氧化物薄膜场效应晶体管的整个制备过程作出详细说明。
本实施例的衬底21为玻璃，在衬底21上依次制作栅电极22、绝缘层23；然后采用上述介绍的有源层25制备方法在绝缘层23上形成有源层25，最后采用喷墨印刷的方法在有源层25相对两侧制作源电极24a和漏电极24b，获得底栅-顶接触型SnO2 薄膜场效应晶体管；本实施例中，源电极24a和漏电极24b的材料为银。
实施例2
本实施例以制作顶栅-顶接触型的金属氧化物薄膜场效应晶体管为例，如图3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31、有源层35、源电极34a和漏电极34b、绝缘层33和栅电极32。其中，有源层35的制备方法如下：
将清洗干净的衬底31放置在气体喷印装置的接受装置上，调整喷印装置的喷射装置使之位于衬底31的正上方，使衬底31作为接收层；将氧化锌（ZnO）放入气体喷印装置中，对氧化锌（ZnO）进行加热使之升华成气雾，其中加热的温度按50℃/min 的速度升至2200℃；加热2 min 钟后，通过喷射装置控制所述气雾喷射到接收层（即衬底31）上，所述气雾喷射到接收层后快速结晶，在在衬底31上获得 ZnO纳米晶作为有源层。
下面，将对这种顶栅-顶接触型的金属氧化物薄膜场效应晶体管的整个制备过程作出详细说明。
本实施例的衬底31为陶瓷，采用上述介绍的有源层35制备方法在衬底31上形成有源层35，然后通过喷墨印刷的方法在有源层35相对两端制作源电极34a和漏电极34b，然后依次在源电极34a和漏电极34b及其之间的有源层35上依次制作绝缘层33、栅电极32，形成顶栅-顶接触型的ZnO薄膜场效应晶体管；本实施例中，源电极34a和漏电极34b的材料为银。
实施例3
本实施例以制作顶栅-底接触型的金属氧化物薄膜场效应晶体管为例，如图4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41、源电极44a和漏电极44b、有源层45、绝缘层43、栅电极42。其中，有源层45的制备方法如下：
将制备有源电极44a和漏电极44b的衬底41放置在气体喷印装置的接受装置上，调整喷印装置的喷射装置使之位于衬底41的正上方，使源电极44a和漏电极44b的上端面及其之间的衬底41作为接收层；将氧化锌和氧化锡的组合物放入气体喷印装置中，对氧化锌和氧化锡的组合物进行加热使之升华成气雾，其中加热的温度按50℃/min 的速度升至1600℃；加热2 min 钟后，通过喷射装置控制所述气雾喷射到接收层上，所述气雾喷射到接收层后快速结晶，获得ZnSnO纳米晶作为有源层。
下面，将对这种顶栅-底接触型的金属氧化物薄膜场效应晶体管的整个制备过程作出详细说明。
本实施例的衬底41为硅，首先通过磁控喷射工艺衬底41上制作源电极44a和漏电极44b，然后采用上述介绍的有源层45的制备方法在源电极44a和漏电极44b的上端面及其之间的衬底41上形成有源层45，最后在有源层45上依次制作绝缘层43、栅电极42，形成顶栅-底接触型的ZnSnO薄膜场效应晶体管。本实施例中，源电极44a和漏电极44b的材料为铜。
实施例4
本实施例以制作底栅-底接触型的金属氧化物场效应晶体管为例，如图5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51、栅电极52、绝缘层53、有源层55、源电极54a和漏电极54b。其中，有源层55的制备方法如下：
将制备有栅电极52、绝缘层53以及源电极54a和漏电极54b的衬底51放置在气体喷印装置的接受装置上，调整喷印装置的喷射装置使之位于衬底51的正上方，使源电极54a和漏电极54b的上端面及其之间的衬底51作为接收层；将氧化镓（Ga2O3）放入气体喷印装置中，对氧化镓（Ga2O3）进行加热使之升华成气雾，其中加热的温度按50℃/min 的速度升至1200℃；加热2 min 钟后，通过喷射装置控制所述气雾喷射到接收层上，所述气雾喷射到接收层后快速结晶，获得Ga2O3纳米晶作为有源层。
下面，将对这种底栅-底接触型的金属氧化物场效应晶体管的整个制备过程作出详细说明。
本实施例的衬底51为塑料，首先在塑料衬底51上依次制作栅电极52和绝缘层53，然后通过光刻工艺在绝缘层53上制作源电极54a和漏电极54b，最后采用上述介绍的有源层55的制备方法在源电极54a和漏电极54b的上端面及其之间的绝缘层53上形成有源层55，形成底栅-顶接触型的Ga2O3薄膜场效应晶体管。本实施例中，源电极54a和漏电极54b的材料为为PEDOT:PSS聚合物。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种金属氧化物薄膜场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括在衬底上制作有源层的工序，所述的有源层是通过气体喷印工艺将金属氧化物喷印到接收层上形成的；
其中，所述的气体喷印工艺的步骤包括：
S1、对位于气化室的收容空间内的金属氧化物进行加热使之升华成气雾；
S2、将所述气雾通过喷射装置喷射到接收层上；其中，所述喷射装置的开口直径为50nm~1mm。
2.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜场效应晶体管的制备方法，其特征在于：对金属氧化物进行加热的温度范围为1000℃~2200℃。
3.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述金属氧化物为氧化锡、氧化锌、三氧化二铟和氧化镓中的一种或者其中两种以上的组合物。
4.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜场效应晶体管的制备方法，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。
5.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述衬底的材质为玻璃、陶瓷、硅、塑料中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述场效应晶体管包括源电极和漏电极，所述源电极和漏电极的材质为金、银、铜、PEDOT:PSS聚合物中至少一种。
7.根据权利要求6所述的金属氧化物薄膜场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述源电极和漏电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。
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