CN106601803B - 一种uv光前处理制备氧化铟/氧化铝纳米纤维场效应晶体管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于静电纺丝纳米纤维场效应晶体管制备技术领域，涉及一种UV光前处理制备氧化铟/氧化铝纳米纤维场效应晶体管的方法；其工艺步骤主要包括：制备Al2O3高k介质薄膜、制备纳米纤维、UV光处理、高温煅烧、光刻定型和离子束沉积源漏电极；其基于Al2O3高k介电层的纳米纤维器件，操作电压将显著降低，显著降低能耗，有利于在移动设备中的集成；制得的Al2O3高k栅介质层的禁带宽度为8.7eV，介电常数达到6.7，其高介电特性完全符合现代显示技术对于高k材料的要求；并且Al2O3薄膜本身具有的高透过率完全符合透明电子器件的要求；其制备低成本，工艺简单，原理可靠，产品性能好，器件稳定性好，应用前景广阔。
Description
技术领域:
本发明属于静电纺丝纳米纤维场效应晶体管制备技术领域，涉及一种UV光前处理制备氧化铟/氧化铝纳米纤维场效应晶体管的方法。
背景技术：
无机电子材料之所以成为如此重要的材料，与它具有的众多优点有关。现代微电子技术主要是在硅、锗和砷化镓等无机半导体材料的基础上发展起来的。锗晶体曾是第一代晶体管材料，而硅材料在过去的大半个世纪中在微电子行业中一直占据着主导地位。但是制备这类器件需要高成本、复杂的工艺和苛刻的制备环境。为此，科学家经过不断的研究和探索，提出以宽禁带金属氧化物材料来取代传统的硅基半导体材料(Nature 432,488,2004)。金属氧化物不仅具有无机半导体材料的固有优点，还具有其他优势如，高可见光透过率，高环境稳定性，较低的制备温度，优良的均一性等。另外，金属氧化物半导体材料制备工艺与硅基材料兼容、选材范围宽广，具有十分光明的产业化应用前景。由于具有纳米尺度的直径、高比表面积、较大的长度/直径比，以及不同于大块样品的电、磁、力、热、光等物理化学性质，一维纳米结构材料比如无机半导体纳米线/管/棒、碳纳米管、和高分子纳米纤维/管等是目前科学研究的热点之一，它们在纳米电子器件、光学器件、传感器、过滤装置、能源收集、存储和转化器件、纳米复合材料以及生物医学等诸多领域有广阔的应用前景(Chem.Soc.Rev.41,5285,2012)。
静电纺丝技术(Electrospinning)是指聚合物溶液或者熔体在高压静电场作用下形成纤维的过程，是国内外最近十几年发展起来的用于制备超细纤维的重要方法，具有操作工艺简单以及较广泛的适用性等特点。该技术由Formhals等在20世纪30年代申请的一系列美国专利中进行报道，他以乙酸纤维素为研究对象，阐述了聚合物溶液如何在电极问形成射流(US Patent No.1975504，1934)。但是随后在利用静电纺丝技术制备聚合物纤维方面的研究发展较为缓慢，尚未引起广泛的关注。直到20世纪90年代，由于美国阿克隆大学Reneker小组的一系列研究工作，特别是随着纳米科技的发展，世界各国的科研界和工业界对高压静电纺丝技术的研究热情开始重新点燃，静电纺丝技术近年来获得了快速发展。需要注意的是，静电纺丝技术不只可以制备聚合物纤维，还可以制备复合纤维和氧化物纤维。
当金属氧化物的材料优势和静电纺丝的技术优势相结合的时候，一幅美好的微电子技术发展路线图呈现在我们面前。尽管研究人员付出了大量的努力，但是静电纺丝纳米纤维场效应晶体管的器件性能还是差强人意。无论是有机半导体材料还是金属氧化物半导体材料，已报道的器件性能都远小于应用要求(迁移率一般要求大于20cm2V-1s-1，但已报道的最大值仅为7.04cm2V-1s-1)，极大的压制了这个极被看好的研究方向的发展。根据我们对器件结构的分析，性能低劣的主要原因是半导体纳米纤维与栅介电层的接触问题。在栅压的作用下，电子会被诱导聚集在沟道层和介电层界面处(几nm的厚度)。然而，电纺纳米纤维的相互交叠会形成一种三维网络结构，趋于从剥离。这时，不良的界面接触就意味着差的电子接触和高的界面态密度，显然会造成器件性能的恶化。韩国科学家注意到了这个问题，并提出了热压增加纤维与介电层粘附的解决办法(ACS Nano 2014,8,2318)。但是，复杂的操作流程和难以大面积应用限制了这项技术的发展应用。因此设计一种UV光前处理制备氧化铟/氧化铝纳米纤维场效应晶体管的方法具有良好的经济效益和社会效益。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点,寻求设计一种UV光前处理制备氧化铟/氧化铝纳米纤维场效应晶体管的方法，通过对In2O3(氧化铟)复合纳米纤维进行UV光照射前处理使其降解并且改变纤维的形貌。
为了实现上述目的，本发明涉及的UV光前处理制备氧化铟/氧化铝纳米纤维场效应晶体管的工艺步骤主要包括：
(1)制备Al2O3(氧化铝)高k介质薄膜：
先将硝酸铝加入N，N二甲基甲酰胺中，配制浓度为0.3摩尔/升的Al2O3介电层前驱体溶液，在磁力搅拌器中旋转6小时，得到纯净透明的介电层前驱体溶液，静置24小时备用；采用单面抛光P型低阻硅(～0.0015Ω·cm)作为衬底，用氢氟酸、丙酮和酒精依次对低阻硅衬底超声波清洗各10分钟，再用去离子水冲洗后用高纯氮气吹干备用；使用匀胶机在P型低阻硅衬底上旋涂Al2O3介电层前驱体溶液，匀胶机先设置500转/分匀胶旋涂5秒，然后设置5000转/分匀胶旋涂30秒后放置于150℃的烤胶台上烘烤10分钟，再对其进行高温600℃退火，退火时间为2小时，得到厚度为30纳米的Al2O3高k介质薄膜；
(2)制备纳米纤维：
将0.2克氯化铟、0.8克聚乙烯吡咯烷酮(130万分子量)加入到5ml N，N二甲基甲酰胺中，用磁力搅拌器旋转12小时，得到透明的粘性的前驱体溶液备用；将步骤1制备得到的Al2O3高k介质薄膜放置在静电纺丝装置接收端，静电纺丝装置针头处连接直流高压电源，接收端距离针头为15cm，；设置注射泵推进速度为0.5毫升/小时，直流高压为15千伏，在电场力、库仑力、表面张力等作用下，前驱体溶液喷出并剧烈抖动，纳米纤维直径显著下降，最后被接收端接受，得到均匀分布的In2O3复合纳米纤维；
(3)UV光处理：
将步骤2制备的In2O3复合纳米纤维放置距离高压汞灯15cm，用高压汞灯产生的UV光处理30分钟，其中汞灯波长范围为100-400纳米，功率为1000瓦，处理后得到具有良好粘附性和界面状态的光处理In2O3复合纳米纤维(图3)；其紫外-可见吸收光谱分析表明In2O3复合纳米纤维对波长为350纳米以下的UV光具有很强的光吸收(图2)；
(4)高温煅烧：
对步骤3得到的光处理In2O3复合纳米纤维进行500℃高温煅烧90分钟，分解其中的有机物，形成得到In2O3纳米纤维网络；
(5)光刻定型：
用匀胶机在步骤4中制得的In2O3纳米纤维网络上旋涂光刻胶，匀胶机先设置500转/分匀胶旋涂5秒，然后在3000转/分匀胶旋涂30秒，涂抹至光刻胶胶厚度为2微米，然后置于100℃下烘箱内烘烤10分钟；再利用掩膜版在光刻机上对涂抹光刻胶后的In2O3纳米纤维网络用200W交流高压汞灯进行紫外曝光25秒；将曝光后的In2O3纳米纤维网络放入显影液中，显影时间30秒后用去离子水反复冲洗，高纯氮气吹干；将显影完全的In2O3纳米纤维网络放入120℃烘箱烘烤20分钟；用稀释的盐酸溶液将烘烤后露出的In2O3纳米纤维网络刻蚀定型，然后用丙酮将未曝光的光刻胶洗掉，再用去离子水反复冲洗，高纯氮气吹干，得到定型In2O3纳米纤维网络；
(6)离子束沉积源漏电极：
将步骤5中制得的定型In2O3纳米纤维网络放入离子束室并遮蔽，设置离子束室真空度为3×10-4Pa，氩气流量为4SCCM，将离子束的灯丝电流加至4A后预热5分钟；待灯丝预热完成后设置加速电流为10mA、放电电压70V和工作气压4×10-2Pa；对Au、Ti或Al靶材预溅射10分钟，以便去除Au、Ti或Al靶材表面的污染物；再将遮蔽的定型In2O3纳米纤维网络暴露并移至相应的Au、Ti或Al靶位，在保持上述参数不变的情况下再次对靶材进行溅射60分钟，使得In2O3纳米纤维网络沉积Au、Ti或Al金属薄膜，即制得氧化铟/氧化铝纳米纤维场效应晶体管。
将本发明制成的氧化铟/氧化铝纳米纤维场效应晶体管行测试，输出特性曲线测试如图4，转移特性曲线测试如图5；其制得的Al2O3高k栅介质层的禁带宽度为8.7eV，介电常数达到6.7，其高介电特性完全符合现代显示技术对于高k材料的要求；并且Al2O3薄膜本身具有的高透过率完全符合透明电子器件的要求。
本发明制得的氧化铟/氧化铝纳米纤维场效应晶体管的主体结构包括P型低阻硅衬底、Al2O3层、In2O3纳米纤维层、电极s和电极D；P型低阻硅衬底、Al2O3层和In2O3纳米纤维层由内向外依次固定连接，电极s和电极D分别固定设置在In2O3纳米纤维层的两端。
本发明与现有技术相比，UV光处理使纳米纤维粘附性变好，改善了界面状态，减少了界面处的电子陷阱和散射中心，有利于载流子传输，并且提高了器件的操作稳定性；基于Al2O3高k介电层的纳米纤维器件，操作电压将显著降低，显著降低能耗，有利于在移动设备中的集成；制得的Al2O3高k栅介质层的禁带宽度为8.7eV，介电常数达到6.7，其高介电特性完全符合现代显示技术对于高k材料的要求；并且Al2O3薄膜本身具有的高透过率完全符合透明电子器件的要求；其制备低成本，工艺简单，原理可靠，产品性能好，器件稳定性好，应用前景广阔。
附图说明：
图1为本发明制备的氧化铟/氧化铝纳米纤维场效应晶体管的结构原理示意图。
图2为本发明涉及的In2O3复合纳米纤维的紫外-可见吸收光谱。
图3为本发明涉及的In2O3复合纳米纤维UV光处理前后纳米纤维形貌对比。
图4为本发明制备的氧化铟/氧化铝纳米纤维场效应晶体管的输出特性曲线。
图5为本发明制备的氧化铟/氧化铝纳米纤维场效应晶体管的转移特性曲线。
具体实施方式：
下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1：
本实施例涉及的UV光前处理制备氧化铟/氧化铝纳米纤维场效应晶体管的工艺步骤主要包括：
(1)制备Al2O3高k介质薄膜：
先将硝酸铝加入N，N二甲基甲酰胺中，配制浓度为0.3摩尔/升的Al2O3介电层前驱体溶液，在磁力搅拌器中旋转6小时，得到纯净透明的介电层前驱体溶液，静置24小时备用；采用单面抛光P型低阻硅(～0.0015Ω·cm)作为衬底，用氢氟酸、丙酮和酒精依次对低阻硅衬底超声波清洗各10分钟，再用去离子水冲洗后用高纯氮气吹干备用；使用匀胶机在P型低阻硅衬底上旋涂Al2O3介电层前驱体溶液，匀胶机先设置500转/分匀胶旋涂5秒，然后设置5000转/分匀胶旋涂30秒后放置于150℃的烤胶台上烘烤10分钟，再对其进行高温600℃退火，退火时间为2小时，得到厚度为30纳米的Al2O3高k介质薄膜；
(2)制备纳米纤维：
将0.2克氯化铟、0.8克聚乙烯吡咯烷酮(130万分子量)加入到5ml N，N二甲基甲酰胺中，用磁力搅拌器旋转12小时，得到透明的粘性的前驱体溶液备用；将步骤1制备得到的Al2O3高k介质薄膜放置在静电纺丝装置接收端，静电纺丝装置针头处连接直流高压电源，接收端距离针头为15cm，；设置注射泵推进速度为0.5毫升/小时，直流高压为15千伏，在电场力、库仑力、表面张力等作用下，前驱体溶液喷出并剧烈抖动，纳米纤维直径显著下降，最后被接收端接受，得到均匀分布的In2O3复合纳米纤维；
(3)UV光处理：
将步骤2制备的In2O3复合纳米纤维放置距离高压汞灯15cm，用高压汞灯产生的UV光处理30分钟，其中汞灯波长范围为100-400纳米，功率为1000瓦，处理后得到具有良好粘附性和界面状态的光处理In2O3复合纳米纤维(图3)；其紫外-可见吸收光谱分析表明In2O3复合纳米纤维对波长为350纳米以下的UV光具有很强的光吸收(图2)；
(4)高温煅烧：
对步骤3得到的光处理In2O3复合纳米纤维进行500℃高温煅烧90分钟，分解其中的有机物，形成得到In2O3纳米纤维网络；
(5)光刻定型：
用匀胶机在步骤4中制得的In2O3纳米纤维网络上旋涂光刻胶，匀胶机先设置500转/分匀胶旋涂5秒，然后在3000转/分匀胶旋涂30秒，涂抹至光刻胶胶厚度为2微米，然后置于100℃下烘箱内烘烤10分钟；再利用掩膜版在光刻机上对涂抹光刻胶后的In2O3纳米纤维网络用200W交流高压汞灯进行紫外曝光25秒；将曝光后的In2O3纳米纤维网络放入显影液中，显影时间30秒后用去离子水反复冲洗，高纯氮气吹干；将显影完全的In2O3纳米纤维网络放入120℃烘箱烘烤20分钟；用稀释的盐酸溶液将烘烤后露出的In2O3纳米纤维网络刻蚀定型，然后用丙酮将未曝光的光刻胶洗掉，再用去离子水反复冲洗，高纯氮气吹干，得到定型In2O3纳米纤维网络；
(6)离子束沉积源漏电极：
将步骤5中制得的定型In2O3纳米纤维网络放入离子束室并遮蔽，设置离子束室真空度为3×10-4Pa，氩气流量为4SCCM，将离子束的灯丝电流加至4A后预热5分钟；待灯丝预热完成后设置加速电流为10mA、放电电压70V和工作气压4×10-2Pa；对Au、Ti或Al靶材预溅射10分钟，以便去除Au、Ti或Al靶材表面的污染物；再将遮蔽的定型In2O3纳米纤维网络暴露并移至相应的Au、Ti或Al靶位，在保持上述参数不变的情况下再次对靶材进行溅射60分钟，使得In2O3纳米纤维网络沉积Au、Ti或Al金属薄膜，即制得氧化铟/氧化铝纳米纤维场效应晶体管。
将本实施例制成的氧化铟/氧化铝纳米纤维场效应晶体管行测试，输出特性曲线测试如图4，转移特性曲线测试如图5；其制得的Al2O3高k栅介质层的禁带宽度为8.7eV，介电常数达到6.7，其高介电特性完全符合现代显示技术对于高k材料的要求；并且Al2O3薄膜本身具有的高透过率完全符合透明电子器件的要求。
本实施例制得氧化铟/氧化铝纳米纤维场效应晶体管的主体结构包括P型低阻硅衬底、Al2O3层、In2O3纳米纤维层、电极s和电极D；P型低阻硅衬底、Al2O3层和In2O3纳米纤维层由内向外依次固定连接，电极s和电极D分别固定设置在In2O3纳米纤维层的两端。
实施例2：
本实施例涉及的UV光前处理制备In2O3/Al2O3纳米纤维场效应晶体管的工艺步骤主要包括：
(1)溶液法法制备高k氧化铝介电层；二氧化硅是已经大规模应用的介电材料，工艺成熟，但是介电常数只有3.9，单位面积电容较小，这使得器件操作电压较大，不利于节能和应用于移动终端；高k氧化铝介电层具有较大的介电常数，极大的降低了操作电压，相同的单位面积电容下可以有更大的物理厚度。
(2)在已经制备的介电层上,利用静电纺丝技术沉积In2O3纳米纤维作为沟道层；纳米纤维拥有独特的电流输运特性，在逻辑器件，传感器，生物探针，显示等领域具有巨大的潜在应用；静电纺丝技术是唯一一种可以大面积、原位的制备连续纳米纤维的方法，另外，它的成本低、产量大、材料选择范围广等特点使其成为一种理想的一维半导体材料制备技术。
(3)为了增强纳米纤维和介电层粘附性,需要将样品进行UV光处理；UV光前处理是本发明的核心内容；高能的UV光子可以使纳米纤维降解并且显著改变纤维的形貌；另外，光处理的均匀性使其更加适合大面积的生产应用；
(4)高温煅烧,得到高质量、结晶性好的金属氧化物纳米纤维网络；金属氧化物是最有希望替代现有硅基材料的半导体材料，其具有低成本，高稳定性，高可见光透过率，材料选择范围广、与现有硅基工艺兼容等优点；
(5)光刻定型；根据已有报道和我们实验得知，没有定型的器件展现了较差的器件性能，这是因为较大的寄生电容和漏电流，这个问题在纳米纤维器件中也是存在的，因此对纳米纤维沟道进行光刻定型是必要的；
(6)利用离子束沉积源漏电极；通过选择合适的电极材料和优化工艺，使电极和纳米纤维之间形成欧姆接触，这将显著提高器件的性能。
Claims (2)
1.一种UV光前处理制备氧化铟/氧化铝纳米纤维场效应晶体管的方法，其特征在于制备工艺步骤主要包括：
(1)制备Al2O3高k介质薄膜：
先将硝酸铝加入N，N二甲基甲酰胺中，配制浓度为0.3摩尔/升的Al2O3介电层前驱体溶液，在磁力搅拌器中旋转6小时，得到纯净透明的介电层前驱体溶液，静置24小时备用；采用单面抛光电阻率小于0.0015Ω·cm的P型低阻硅作为衬底，用氢氟酸、丙酮和酒精依次对低阻硅衬底超声波清洗各10分钟，再用去离子水冲洗后用高纯氮气吹干备用；使用匀胶机在P型低阻硅衬底上旋涂Al2O3介电层前驱体溶液，匀胶机先设置500转/分匀胶旋涂5秒，然后设置5000转/分匀胶旋涂30秒后放置于150℃的烤胶台上烘烤10分钟，再对其进行高温600℃退火，退火时间为2小时，得到厚度为30纳米的Al2O3高k介质薄膜；
(2)制备纳米纤维：
将0.2克氯化铟、0.8克即130万分子量的聚乙烯吡咯烷酮加入到5ml N，N二甲基甲酰胺中，用磁力搅拌器旋转12小时，得到透明的粘性的前驱体溶液备用；将步骤1制备得到的Al2O3高k介质薄膜放置在静电纺丝装置接收端，静电纺丝装置针头处连接直流高压电源，接收端距离针头为15cm；设置注射泵推进速度为0.5毫升/小时，直流高压为15千伏，在电场力、库仑力、表面张力等作用下，前驱体溶液喷出并剧烈抖动，纳米纤维直径显著下降，最后被接收端接受，得到均匀分布的In2O3复合纳米纤维；
(3)UV光处理：
将步骤2制备的In2O3复合纳米纤维放置距离高压汞灯15cm，用高压汞灯产生的UV光处理30分钟，其中汞灯波长范围为100-400纳米，功率为1000瓦，处理后得到具有良好粘附性和界面状态的光处理In2O3复合纳米纤维；其紫外-可见吸收光谱分析表明In2O3复合纳米纤维对波长为350纳米以下的UV光具有很强的光吸收；
(4)高温煅烧：
对步骤3得到的光处理In2O3复合纳米纤维进行500℃高温煅烧90分钟，分解其中的有机物，形成得到In2O3纳米纤维网络；
(5)光刻定型：
用匀胶机在步骤4中制得的In2O3纳米纤维网络上旋涂光刻胶，匀胶机先设置500转/分匀胶旋涂5秒，然后在3000转/分匀胶旋涂30秒，涂抹至光刻胶胶厚度为2微米，然后置于100℃下烘箱内烘烤10分钟；再利用掩膜版在光刻机上对涂抹光刻胶后的In2O3纳米纤维网络用200W交流高压汞灯进行紫外曝光25秒；将曝光后的In2O3纳米纤维网络放入显影液中，显影时间30秒后用去离子水反复冲洗，高纯氮气吹干；将显影完全的In2O3纳米纤维网络放入120℃烘箱烘烤20分钟；用稀释的盐酸溶液将烘烤后露出的In2O3纳米纤维网络刻蚀定型，然后用丙酮将未曝光的光刻胶洗掉，再用去离子水反复冲洗，高纯氮气吹干，得到定型In2O3纳米纤维网络；
(6)离子束沉积源漏电极：
将步骤5中制得的定型In2O3纳米纤维网络放入离子束室并遮蔽，设置离子束室真空度为3×10-4Pa，氩气流量为4SCCM，将离子束的灯丝电流加至4A后预热5分钟；待灯丝预热完成后设置加速电流为10mA、放电电压70V和工作气压4×10-2Pa；对Au、Ti或Al靶材预溅射10分钟，以便去除Au、Ti或Al靶材表面的污染物；再将遮蔽的定型In2O3纳米纤维网络暴露并移至相应的Au、Ti或Al靶位，在保持上述参数不变的情况下再次对靶材进行溅射60分钟，使得In2O3纳米纤维网络沉积Au、Ti或Al金属薄膜，即制得氧化铟/氧化铝纳米纤维场效应晶体管。
2.根据权利要求1所述的UV光前处理制备氧化铟/氧化铝纳米纤维场效应晶体管的方法制得的In2O3/Al2O3纳米纤维场效应晶体管，其特征在于其主体结构包括P型低阻硅衬底、Al2O3层、In2O3纳米纤维层、电极s和电极D；P型低阻硅衬底、Al2O3层和In2O3纳米纤维层由内向外依次固定连接，电极s和电极D分别固定设置在In2O3纳米纤维层的两端。
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