CN104022159B - 用作薄膜晶体管沟道层的非晶氧化物薄膜及其制备方法 - Google Patents
用作薄膜晶体管沟道层的非晶氧化物薄膜及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了用作薄膜晶体管沟道层的非晶氧化物薄膜及其制备方法，所述非晶氧化物薄膜化学式为Zn4AlxSn7O1.5x+18(0≦x≦0.5)。制备步骤为：将称量好的Zn(NO3)2·6H2O、Al(NO3)3·9H2O及SnCl2+NH4NO3分别溶解于二甲氧基乙醇、乙酰丙酮以及氨水组成的混合溶液中，配成前驱体溶液，并在常温～50℃下搅拌6～24h，经过滤后按Zn:Al:Sn＝4:x:7(0≦x≦0.5)比例混合均匀，陈化4～24h；在衬底上旋涂成膜，并进行退火处理，得到薄膜的厚度为10～50nm；本发明制得的薄膜表面粗糙度RMS小于5nm、载流子浓度1014～1017cm‑3、透过率>80％；将其用作沟道层制得薄膜晶体管，阈值电压为‑4～3V、迁移率为2～10cm2V‑1S‑1。本发明制备的用作薄膜晶体管的非晶氧化物薄膜具有迁移率高、环境友好、方法简单、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种非晶氧化物薄膜及其制备方法，尤其涉及一种用作薄膜晶体管沟道层的非晶氧化物薄膜及其制备方法。
背景技术
随着信息时代的到来，显示器件加速向平板化、节能化的方向发展，其中以薄膜晶体管(TFT)为开关元件的有源阵列驱动显示器件在众多平板显示技术中脱颖而出,自然地，TFT也成为微电子特别是显示工程领域的核心技术之一。TFT是一种场效应半导体器件，包括衬底、沟道层、绝缘层、栅极和源漏电极等几个重要组成部分，其中沟道层的性能和制造工艺对TFT最终的性能有至关重要的影响。
随着非晶硅(α-Si)和多晶硅掺杂技术的发展，近十多年来，以非晶硅或多晶硅材料制作沟道层的TFT为驱动单元的液晶显示器件获得了迅速发展，并成为当前市场主流的信息显示终端。然而，非晶硅存在场效应迁移率低、光敏性强、材料不透明致其显示屏像素开口率低等缺点，而多晶硅TFT存在大面积制作工艺复杂、低温工艺难以实现、制作成本高以及器件均匀性差等缺点。
因此，近年来，寻求制作具有高迁移率、高性能、且制作成本低的TFT成为满足平板显示器进一步发展的研究热点，研究比较热门的是以并五苯等有机半导体材料为沟道层的有机薄膜晶体管(OTFT)和以氧化物半导体薄膜为沟道层的TFT。OTFT具有加工温度低、工艺过程简单等优点，但是，目前报道的OTFT的迁移率较低(一般低于1cm2V-1S-1)，且有一个致命缺点就是OTFT的寿命低,存在严重的老化问题。而以氧化物半导体薄膜为沟道层的TFT具有较高的迁移率和较大的电流开关比，能够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；另外氧化物薄膜在可见光范围有较高的透过率，用在有源阵列驱动液晶显示中，可以提高液晶显示器的开口率，使显示器屏幕更清晰明亮并降低能耗。
基于氧化物半导体薄膜应用于TFT沟道层的这些优点，最近我国、日本以及韩国多个课题组均在致力于氧化物半导体薄膜为沟道层的TFT的研究，目前研究较为成熟的为非晶InGaZnO薄膜制作沟道层的TFT，但是这种TFT含有In和Ga这两种价格昂贵的稀有元素，尤其是In元素，在地球的储量极少，且都是作为Zn、Sn等元素的伴生矿而存在，开采十分困难，且目前In大量用于透明导电薄膜ITO中，更加速了In的消耗，有研究者预测在未来几十年内，In资源就会枯竭；另外，目前研究中，作为TFT沟道层应用的非晶InGaZnO薄膜的制备方法多采用物理沉积方法如磁控溅射、脉冲激光沉积以及分子束外延等，这些制备方法非常的昂贵，也使制得的TFT工业成本居高不下。
发明内容
为克服现有技术中的问题，本发明提供了一种用作薄膜晶体管沟道层的非晶氧化物薄膜及其制备方法；本发明提供的用作薄膜晶体管沟道层的非晶氧化物薄膜相对于目前研究的OTFT具有高的迁移率特点，且不含有非晶InGaZnO薄膜中昂贵的In、Ga元素；且制备工艺简单、制作成本低。
本发明制备的用作薄膜晶体管沟道层的非晶氧化物薄膜，其特征在于：所述非晶氧化物薄膜的化学式为Zn4AlxSn7O1.5X+18，其中：0≦x≦0.5。
进一步，该用作薄膜晶体管沟道层的非晶氧化物薄膜，其特征在于：所述非晶氧化物薄膜的物理特性如下：
表面粗糙度RMS小于5nm；
载流子浓度1014～1017cm-3；
阈值电压为-4～3V；
迁移率为2～10cm2V-1S-1；
透过率>80％。
本发明还提供所述用作薄膜晶体管沟道层的非晶氧化物薄膜的制备方法，其步骤如下：
(1)将称量好的Zn(NO3)2·6H2O、Al(NO3)3·9H2O及SnCl2+NH4NO3分别溶解于二甲氧基乙醇、乙酰丙酮以及氨水组成的混合溶液中，配成前驱体溶液，并在常温～50℃下搅拌6～24h，经过过滤后按照Zn:Al:Sn＝4:x:7比例混合均匀，其中：0≦x≦0.5，陈化4～24h；
(2)将步骤(1)陈化后所得到的溶液在衬底上旋涂成膜，旋涂的转速为：2000～4500rpm，旋涂时间为10～60s；
(3)将步骤(2)旋涂所得到的薄膜进行退火处理，退火处理的温度为100～400℃，退火时间为10～90min；
(4)多次重复步骤(2)和步骤(3)，直到得到的薄膜厚度为10～50nm。
进一步，上述步骤(1)中所述的Zn(NO3)2·6H2O、Al(NO3)3·9H2O、SnCl2、NH4NO3的纯度均在99.99％以上。
进一步，上述步骤(2)中所述衬底可以为单晶硅片、蓝宝石、石英、玻璃、聚碳酸酯或苯二甲酸乙二酯。
本发明的有益效果在于：
(1)应用本发明制作的Zn4AlxSn7O1.5X+18非晶氧化物薄膜作为沟道层的TFT，比有机薄膜晶体管和传统的非晶硅(α-si)薄膜晶体管，具有更高的迁移率：2～10cm2V-1S-1，应用于有源阵列平板显示器，能够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；
(2)本发明制作的Zn4AlxSn7O1.5X+18非晶氧化物薄膜，与InGaZnO相比，性能相当，且不含In、Ga贵金属元素，采用普通的Sn、Al分别取代了昂贵的In、Ga，对环境友好，同时原料存储量大，成本大幅降低，有利于信息显示领域的大规模推广应用；
(3)本发明制作的Zn4AlxSn7O1.5X+18非晶氧化物薄膜，在可见光区域(波长400～800nm)的透过率大于80％，用在有源阵列驱动液晶显示中，可以提高液晶显示器的开口率，使显示器屏幕更清晰明亮并降低能耗；
(4)本发明提供的Zn4AlxSn7O1.5X+18非晶氧化物薄膜的制备方法，工艺简单、成本低，且能实现薄膜的低温生长，使其制作在有机柔性衬底上成为可能，增加了在工业上应用的机会；
(5)本方法制作的Zn4AlxSn7O1.5X+18非晶氧化物薄膜成分分布均匀，易于腐蚀，可大面积制备。
附图说明
图1为实施例1制得的Zn4AlxSn7O1.5X+18(其中：x＝0.5)非晶氧化物薄膜的紫外可见光透射谱。
图2为制得的Zn4AlxSn7O1.5X+18非晶氧化物薄膜用作沟道层的底栅式结构TFT的结构示意图。图中1为n++Si衬底，同时也是栅电极，2为150nm的SiO2的栅极绝缘层，3为沟道层，也就是薄膜Zn4AlxSn7O1.5X+18，4为源极层，5为漏极层。
图3为实施例1制得的Zn4AlxSn7O1.5X+18(其中：x＝0.5)非晶氧化物薄膜用作沟道层的TFT的转移特性曲线。
图4为实施例2制得的Zn4AlxSn7O1.5X+18(其中：x＝0)非晶氧化物薄膜用作沟道层的TFT的转移特性曲线。
图5为实施例3制得的Zn4AlxSn7O1.5X+18(其中：x＝0.25)非晶氧化物薄膜用作沟道层的TFT的转移特性曲线。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例进一步说明本发明。
实施例1
(1)将称量好的Zn(NO3)2·6H2O、Al(NO3)3·9H2O及SnCl2+NH4NO3分别溶解于二甲氧基乙醇+乙酰丙酮+14.5M的氨水溶液里配成浓度为0.2M的前驱体溶液，在30℃下搅拌24h，经过过滤后按照Zn:Al:Sn＝4:0.5:7比例混合均匀，陈化24h；
(2)将步骤(1)陈化后所得到的溶液在n++Si/150nmSiO2衬底上旋涂成膜，旋涂条件为：转速为4000rpm，旋涂时间为35s，旋涂4次，每次旋涂后进行退火处理，退火处理的温度为300℃，退火时间为30min。得到的薄膜的分子式为：Zn4AlxSn7O1.5X+18，其中：x＝0.5。
(3)对制得的薄膜进行薄膜厚度、表面粗糙度、载流子浓度以及在紫外可见光区域的透射谱测试，测试结果为：薄膜厚度为23nm，表面粗糙度RMS为0.97nm，载流子浓度1014～1017cm-3，透过率>80％，透射谱如图1所示；
(4)为进一步测量制作的薄膜用作TFT的沟道层的性能，接着在上述制得的薄膜基础上制作TFT的原型器件：利用掩膜板，在上述步骤(2)所得到的薄膜上用电子束蒸发技术沉积一层100nm的Al金属电极作为薄膜晶体管的源极和漏极，TFT器件沟道层的宽度和长度分别为1000μm和200μm。制作的TFT器件结构如图2所示，图中1为n++Si衬底，同时也是栅电极，2为150nm的SiO2的栅极绝缘层，3为沟道层，也就是薄膜Zn4AlxSn7O1.5X+18，4为源极层，5为漏极层；
(5)对上述得到的用Zn4AlxSn7O1.5X+18(其中：x＝0.5)非晶氧化物薄膜作为沟道层的TFT进行物理特性测试，如图3为测试所得的转移特性曲线，图中VGS是栅源极偏压，IDS为源漏极电流，源漏极电压VDS为10V，计算得到的场效应迁移率为2.33cm2V-1S-1，阈值电压为2.39V，开关态电流比为2.88×106。
实施例2
(1)将称量好的Zn(NO3)2·6H2O及SnCl2+NH4NO3分别溶解于二甲氧基乙醇+乙酰丙酮+14.5M的氨水溶液里配成浓度为0.2M的前驱体溶液，在常温下搅拌12h，经过滤后按照Zn:Sn＝4:7比例混合均匀，陈化12h；
(2)将步骤(1)陈化后所得到的溶液在n++Si/150nmSiO2衬底上旋涂成膜，旋涂条件为：转速为4500rpm，旋涂时间为25s，旋涂5次，每次旋涂后进行退火处理，退火处理的温度为400℃，退火时间为50min。得到的薄膜的分子式为：Zn4AlxSn7O1.5X+18，其中：x＝0。
(3)对制得的薄膜进行薄膜厚度、表面粗糙度、载流子浓度以及在紫外可见光区域的透射谱测试，测试结果为：薄膜厚度为18nm，表面粗糙度RMS为3.3nm，载流子浓度1014～1017cm-3，透过率>80％。
(4)利用掩膜板，在步骤(2)所得到的薄膜上用电子束蒸发技术沉积一层100nmAl金属电极作为薄膜晶体管的源极和漏极，TFT器件沟道层的宽度和长度分别为1000μm和100μm；
(5)对上述得到的用Zn4AlxSn7O1.5X+18(其中：x＝0)非晶氧化物薄膜作为沟道层的TFT进行物理特性测试，如图4为测试所得的转移特性曲线，图中VGS是栅源极偏压，IDS为源漏极电流，源漏极电压VDS为10V，计算得到的场效应迁移率为5.23cm2V-1S-1，阈值电压为-3.74V，开关态电流比为1.07×106。
实施例3
(1)将称量好的Zn(NO3)2·6H2O、Al(NO3)3·9H2O及SnCl2+NH4NO3分别溶解于二甲氧基乙醇+乙酰丙酮+14.5M的氨水溶液里配成浓度为0.2M的前驱体溶液，在50℃下搅拌6h，经过滤后按照Zn:Al:Sn＝4:0.25:7比例混合均匀，陈化6h；
(2)将步骤(1)陈化后所得到的溶液在n++Si/150nmSiO2衬底上旋涂成膜，旋涂条件为：转速为3500rpm，旋涂时间为40s，旋涂4次，每次旋涂后进行退火处理，退火处理的温度为400℃，退火时间为60min。得到的薄膜的分子式为：Zn4AlxSn7O1.5X+18其中：x＝0.25。
(3)对制得的薄膜进行薄膜厚度、表面粗糙度、载流子浓度以及在紫外可见光区域的透射谱测试，测试结果为：薄膜厚度为28nm，表面粗糙度RMS为1.8nm，载流子浓度1014～1017cm-3，透过率>80％。
(4)利用掩膜板，在步骤(2)所得到的薄膜上用电子束蒸发技术沉积一层100nmAl金属电极作为薄膜晶体管的源极和漏极,TFT器件沟道层的宽度和长度分别为1000μm和200μm；
(5)对上述得到的用Zn4AlxSn7O1.5X+18(其中：x＝0.25)非晶氧化物薄膜作为沟道层的TFT进行物理特性测试，如图5为测试所得的转移特性曲线，图中VGS是栅源极偏压，IDS为源漏极电流，源漏极电压VDS为10V，计算得到的场效应迁移率为3.89m2V-1S-1，阈值电压为-1.42V，开关态电流比为1.32×106。
上述各实施例中，使用的原料Zn(NO3)2·6H2O、Al(NO3)3·9H2O、SnCl2以及NH4NO3的纯度均在99.99％以上。
本发明非晶氧化物薄膜制备所使用的衬底，并不局限于实施例中的单晶硅片，还可以使用蓝宝石、石英、玻璃、聚碳酸酯或苯二甲酸乙二酯。
Claims (3)
1.用作薄膜晶体管沟道层的非晶氧化物薄膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将称量好的Zn(NO3)2·6H2O、Al(NO3)3·9H2O及SnCl2+NH4NO3分别溶解于二甲氧基乙醇、乙酰丙酮以及氨水组成的混合溶液中，配成前驱体溶液，并在常温~ 50℃下搅拌6 ~24h，经过过滤后按照Zn: Al : Sn=4: x: 7比例混合均匀，其中：0≦x≦0.5，陈化4 ~ 24 h；
（2）将步骤（1）陈化后所得到的溶液在衬底上旋涂成膜，旋涂的转速为：2000 ~ 4500rpm，旋涂时间为10 ~ 60 s；
（3）将步骤（2）旋涂所得到的薄膜进行退火处理，退火处理的温度为100 ~ 400 ℃，退火时间为10 ~ 90 min；
（4）多次重复步骤（2）和步骤（3），直到得到的薄膜厚度为10 ~ 50 nm。
2.根据权利要求1所述的用作薄膜晶体管沟道层的非晶氧化物薄膜的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的Zn(NO3)2·6H2O、Al(NO3)3·9H2O、SnCl2、NH4NO3的纯度均在99.99%以上。
3.根据权利要求1所述的用作薄膜晶体管沟道层的非晶氧化物薄膜的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述衬底为单晶硅片、蓝宝石、石英、玻璃、聚碳酸酯或苯二甲酸乙二酯。
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