CN106653575A - 低温制备氧化物薄膜的前驱体溶液及所制备的薄膜、薄膜晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温制备氧化物薄膜的前驱体溶液及通过该前驱体溶液所制备的氧化物薄膜和薄膜晶体管。前驱体溶液的溶质同时包含：至少一种高氯酸盐和至少一种硝酸盐。通过在前驱体中同时加入高氯酸盐和硝酸盐，两者发生互相促进的氧化还原反应，从而达到在较低温度下制备氧化物薄膜的效果。按此配方可配制出不同氧化物薄膜的前驱体溶剂，依照工序依次制备不同性质的薄膜，能够制备出完整的薄膜晶体管。本发明的前驱体配方具有制备方法灵活多样、制备温度低、成本低廉、适用面广的特点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种低温制备氧化物薄膜的前驱体溶液及所制备的薄膜、薄膜晶体管。
背景技术
薄膜晶体管(TFT,Thin Film Transistor)主要应用于控制和驱动液晶显示器(LCD,Liquid Crystal Display)、有机发光二极管(OLED,Organic Light-EmittingDiode)显示器的子像素，是平板显示领域中最重要的电子器件之一。
随着智能手机等电子设备的需求增加，显示领域的技术也显得日益重要。其中，柔性显示设备由于其可弯曲性具有非常广阔的应用前景。因此，柔性显示设备的大面积制备将是未来其工业化生产的门槛之一。同时，基于溶液加工和涂覆技术的印刷电子器件，具有低成本、低能耗、高处理量、兼容柔性衬底等优点，也越来越得到重视。基于上述优点，喷墨打印(ink-jet)、卷对卷(rol l-to-roll)印刷技术的印刷电子器件能够解决柔性显示器的大面积制备问题。
但是用于印刷电子器件的柔性基板通常为不耐热的塑料基板。而传统溶液加工方法制备氧化物薄膜需要较高的制备温度，一旦降低制备温度，得到的器件质量也将随之下降。
因此，开发适用于薄膜晶体管制备的低温溶液加工技术，实现在较低温度下制备出性能优良的氧化物薄膜，降低制备过程中柔性衬底受到的负面影响，一直是溶液加工工艺的一个重要研究方向。
本发明正是针对这一要求，提供一种能够兼容柔性显示器件的喷墨打印、卷对卷印刷制备的前驱体溶液及所制备的薄膜、薄膜晶体管。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种低温制备氧化物薄膜的前驱体溶液，能够在250摄氏度的温度内制备氧化物薄膜，且制备过程中对柔性衬底的影响较小。
本发明的上述目的通过如下技术手段实现。
提供一种低温制备氧化物薄膜的前驱体溶液，前驱体溶液的溶质同时包含：
至少一种高氯酸盐；
至少一种硝酸盐。
作为一种优选方式，所述前驱体溶液的溶质中含有两种以上的高氯酸盐。
作为另一种优选方式，所述前驱体溶液的溶质中含有两种以上的硝酸盐。
优选的，上述的低温制备氧化物薄膜的前驱体溶液，通过该前驱体溶液在不高于250℃的温度下制备出氧化物薄膜。
优选的，上述述的低温制备氧化物薄膜的前驱体溶液，通过旋涂、棒涂、提拉、滴涂或者喷墨打印的涂布方式获得湿膜。
优选的，上述的低温制备氧化物薄膜的前驱体溶液，湿膜经过加热或者紫外光照处理转换为氧化物薄膜。
本发明同时提供一种氧化物薄膜，采用上述的前驱体溶液。
本发明还提供一种薄膜晶体管，包括栅极、沟道层、位于栅极和沟道层之间的绝缘层、分别连接在沟道层的两端的源极和漏极，所述的栅极、沟道层、绝缘层或源漏电极中的至少一层以上述的前驱体溶液作为前驱体溶液在不高于250摄氏度的温度下制备而成。
优选的，上述薄膜晶体管为底栅底接触型、底栅顶接触型、顶栅底接触型或者顶栅顶接触型。
本发明一种低温制备氧化物薄膜的前驱体溶液，前驱体溶液的溶质同时包含：至少一种高氯酸盐和至少一种硝酸盐。通过在前驱体溶液中混合两种特定的无机盐，这两种无机盐在较低的制备温度下即可发生氧化还原反应，制备出所需的氧化物薄膜。
本发明的原理如下：
前驱体中包含的两种特定无机盐为高氯酸盐和硝酸盐。其中硝酸盐中包含的硝酸根化学性质比较活泼，在较低温度约220℃下即开始分解，并释放出氧自由基；高氯酸盐中的高氯酸根因为是正四面体结构，具备较好的化学稳定性，因此分解温度较高，高于300℃以上，但分解时能释放出数量更多的氧自由基，促进氧化物的形成并抑制其中氧空位的生成。同时，高氯酸盐分解能释放大量的热，能促进反应进行，并能对薄膜起退火作用，改善薄膜质量。另一方面，高氯酸盐相对稳定，不会在前驱体溶液中提前反应而造成沉淀。
这两者混合后，硝酸根先释放出氧自由基，由于氧自由基本身具备较高的化学活性，十分容易与其它氧自由基结合或直接夺取其它基团中的氧原子，形成氧气，促使高氯酸盐在较低温度下开始分解。而高氯酸根开始分解时，其分解的中间产物氯酸根、亚氯酸根、次氯酸根均为化学活性较强的基团，容易发生氧化还原反应，使得反应能够在较低温度下持续进行。因此，这两种无机盐混合后，能够使得前驱体在较低温度下开始分解反应，最终转化形成完整的氧化物薄膜。
作为优选方式，前驱体溶液的溶质中含有两种以上的高氯酸盐，或前驱体溶液的溶质中含有两种以上的硝酸盐，这样能够在前驱体溶液中实现掺杂，有利于提高迁移率和稳定性。
本发明低温制备氧化物薄膜的前驱体溶液，能够在低于250℃的温度下制备氧化物薄膜，这一制备温度符合柔性塑料衬底的温度要求。所制备的氧化物薄膜用于构成薄膜晶体管。本发明中前驱体溶液的涂覆方式不受限制，可以针对不同制备需求选择涂覆不同的涂覆方法。选用旋涂、提拉或滴涂制备出大面积的氧化物薄膜；选用卷对卷、喷墨打印等方式可直接制备出图案化薄膜。故，本发明的前驱体溶液对于氧化物薄膜及薄膜晶体管的制备适用面广泛。本发明的前驱体配方具有制备方法灵活多样、制备温度低、成本低廉、适用面广。
附图说明
图1是本发明实施例2制备出的薄膜晶体管的结构示意图。
图2是本发明实施例2制备出的薄膜晶体管的输出特性曲线。
图3是本发明实施例2制备出的薄膜晶体管的转移特性曲线。
图4是本发明实施例3制备出的薄膜晶体管的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明做进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例的范围。
实施例1。
本实施例提供一种低温制备氧化物薄膜的前驱体溶液，前驱体溶液的溶质同时包含：
至少一种高氯酸盐；
至少一种硝酸盐。
根据具体需要，前驱体溶液的溶质中可以包含一种硝酸盐，同时含有两种以上的高氯酸盐。前驱体溶液的溶质中也可以包含一种高高氯酸盐，同时含有两种以上的硝酸盐。前驱体溶液的溶质中还可以包含多种硝酸盐和多种高氯酸盐。
高氯酸盐和硝酸盐在前驱体溶液中可随实际制备生产要求作不同比例的调整，但溶液中必需同时包含有高氯酸盐和硝酸盐。高氯酸盐中的金属阳离子种类不限，可根据所需制备的不同氧化物薄膜选用对应的高氯酸盐。硝酸盐中的金属阳离子种类不限，可根据所需制备的不同氧化物薄膜选用对应的硝酸盐。
该低温制备氧化物薄膜的前驱体溶液，可通过该前驱体溶液在不高于250℃的温度下制备出氧化物薄膜。
该低温制备氧化物薄膜的前驱体溶液，具体可通过旋涂、棒涂、提拉、滴涂或者喷墨打印的涂布方式获得湿膜，湿膜经过加热或者紫外光照处理转换为氧化物薄膜。
本实施例的低温制备氧化物薄膜的前驱体溶液，前驱体溶液中包含的两种特定无机盐为高氯酸盐和硝酸盐。其中硝酸盐中包含的硝酸根化学性质比较活泼，在较低温度(约220℃)下即开始分解，并释放出氧自由基；高氯酸盐中的高氯酸根因为是正四面体结构，具备较好的化学稳定性，因此分解温度较高(300℃以上)，但分解时能释放出数量更多的氧自由基，促进氧化物的形成并抑制其中氧空位的生成。两者混合后，硝酸根先释放出氧自由基，由于氧自由基本身具备较高的化学活性，十分容易与其它氧自由基结合或直接夺取其他基团中的氧原子，形成氧气，促使高氯酸盐在较低温度下开始分解。而高氯酸根开始分解时，其分解的中间产物氯酸根、亚氯酸根、次氯酸根均为化学活性较强的基团，容易发生氧化还原反应，使得反应能够在较低温度下持续进行。因此，这两种无机盐混合后，能够使得前驱体在较低温度下开始分解反应，最终转化形成完整的氧化物薄膜。
该低温制备氧化物薄膜的前驱体溶液，能够在低于250℃的温度下制备氧化物薄膜，这一制备温度符合柔性塑料衬底的温度要求。所制备的氧化物薄膜用于构成薄膜晶体管。
本发明中前驱体溶液的涂覆方式不受限制，可以针对不同制备需求选择涂覆不同的涂覆方法。选用旋涂、提拉或滴涂制备出大面积的氧化物薄膜；选用卷对卷、喷墨打印等方式可直接制备出图案化薄膜。故，本发明的前驱体溶液对于氧化物薄膜及薄膜晶体管的制备适用面广泛。本发明的前驱体配方具有制备方法灵活多样、制备温度低、成本低廉、适用面广。
本实施例的前驱体溶液制备的氧化物薄膜，用于作为构成薄膜晶体管的栅极、沟道层、绝缘层或源漏电极中。具体的，薄膜晶体管，包括栅极、沟道层、位于栅极和沟道层之间的绝缘层、分别连接在沟道层的两端的源极和漏极，栅极、沟道层、绝缘层或源漏电极中的至少一层以上述的前驱体溶液作为前驱体溶液在不高于250摄氏度的温度下制备而成。薄膜晶体管为底栅底接触型、底栅顶接触型、顶栅底接触型或者顶栅顶接触型。
实施例2。
以一具体实施例对本发明的薄膜晶体管进行说明。本实施例的薄膜晶体管采用底栅顶接触结构，如图1所示。
该氧化物薄膜晶体管的制备工序为：在基板6上依次制备栅极1、绝缘层2、氧化物半导体层5、源极3和漏极4。
具体的步骤如下：
(1)在基板6上通过溅射的方法制备一层厚度为100～500nm的Al:Nd导电薄膜，并通过遮挡掩膜或光刻的方法图形化制备栅极1；
(2)再通过阳极氧化法、热氧化法、物理气相沉积法或化学气相沉积法在栅极1层上部制备厚度为100～1000nm的薄膜(AlOX:Nd)，并通过遮挡掩膜或光刻的方法图形化制备绝缘层2；
(3)接着，配制有源层的前驱体溶液。量取10mL去离子水，加入0.0005mol硝酸铟、0.0005mol高氯酸铟搅拌溶解，获得有源层(氧化铟，In2O3)前驱体；
(4)然后，将配置完成的前驱体溶液经匀胶技术涂覆在AlOX:Nd/Al:Nd基片上，形成湿膜(3000rpm,30s)，湿膜在100℃下加热5分钟，然后升温至250℃加热1小时退火，得到所需的氧化铟薄膜5；
(5)采用真空蒸镀或溅射的方法制备一层厚度为100～1000nm的导电层，采用掩膜或光刻的方法图形化同时得到源极3和漏极4。
最后得到完整的底栅顶接触型氧化物薄膜晶体管。图2、3分别示出了本实施例的薄膜晶体管的输出特性和转移特性曲线。从转移曲线可以看出，正扫曲线与回扫曲线之间差别不大，即转移特性曲线的迟滞较小，说明有源层与源漏电极的接触良好，低温制备的有源层中缺陷数量较少，用此配方制备的有源层在较低温度下即能体现出良好的电学性能，进一步证明本发明前驱体溶液配方的可靠性。
实施例3。
以一具体实施例对本发明的薄膜晶体管进行说明。本实施例的薄膜晶体管采用底栅顶接触结构，如图4所示。
该氧化物薄膜晶体管的制备工序为：在基板7上依次制备栅极8、绝缘层9、氧化物半导体层10、源极11和漏极12。
具体的步骤如下：
(1)在基板7上通过溅射的方法制备一层厚度为100～500nm的Al:Nd导电薄膜，并通过遮挡掩膜或光刻的方法图形化制备栅极8；
(3)接着，制备绝缘层的前驱体溶液。量取10mL去离子水，加入0.005mol硝酸铝、0.005mol高氯酸铝搅拌溶解，获得绝缘层(氧化铝，Al2O3)前驱体；
(4)然后，将配置完成的前驱体溶液经匀胶技术涂覆在Al:Nd基片上，形成湿膜(3000rpm,30s)，湿膜在100℃下加热5分钟，然后升温至250℃加热1小时退火，得到所需的氧化铝薄膜9；
(3)接着，制备有源层的前驱体溶液，量取10mL去离子水，加入0.005mol硝酸铝、0.005mol硝酸铟、0.005mol高氯酸铝、和0.005mol高氯酸铟搅拌溶解，获得有源层(氧化铟，AlInO3)前驱体；
(4)然后，将配置完成的前驱体溶液经匀胶技术涂覆在AlOX:Nd/Al:Nd基片上，形成湿膜(3000rpm,30s)，湿膜在100℃下加热5分钟，然后升温至250℃加热1小时退火，得到所需的氧化铟薄膜10；
(5)采用真空蒸镀或溅射的方法制备一层厚度为100～1000nm的导电层，采用掩膜或光刻的方法图形化同时得到源极11和漏极12。
最后得到完整的底栅顶接触型氧化物薄膜晶体管。
本实施例的薄膜晶体管，绝缘层中缺陷数量较少。有源层与源漏电极的接触良好，低温制备的有源层中缺陷数量较少。用此配方制备的绝缘层、有源层在较低温度下即能体现出良好的电学性能，可见本发明前驱体溶液配方的可靠性。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (9)
1.一种低温制备氧化物薄膜的前驱体溶液，其特征在于，前驱体溶液的溶质同时包含：
至少一种高氯酸盐；
至少一种硝酸盐。
2.根据权利要求1所述的低温制备氧化物薄膜的前驱体溶液，其特征在于：所述前驱体溶液的溶质中含有两种以上的高氯酸盐。
3.根据权利要求1所述的低温制备氧化物薄膜的前驱体溶液，其特征在于：所述前驱体溶液的溶质中含有两种以上的硝酸盐。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的低温制备氧化物薄膜的前驱体溶液，其特征在于：通过该前驱体溶液在不高于250℃的温度下制备出氧化物薄膜。
5.根据权利要求4所述的低温制备氧化物薄膜的前驱体溶液，其特征在于：通过旋涂、棒涂、提拉、滴涂或者喷墨打印的涂布方式获得湿膜。
6.根据权利要求5所述的低温制备氧化物薄膜的前驱体溶液，其特征在于：湿膜经过加热或者紫外光照处理转换为氧化物薄膜。
7.一种氧化物薄膜，其特征在于：采用如权利要求1至6任意一项所述的前驱体溶液。
8.一种薄膜晶体管，包括栅极、沟道层、位于栅极和沟道层之间的绝缘层、分别连接在沟道层的两端的源极和漏极，其特征在于：所述栅极、沟道层、绝缘层或源漏电极中的至少一层以权利要求1至6任意一项所述的前驱体溶液作为前驱体溶液在不高于250摄氏度的温度下制备而成。
9.根据权利要求8所述的薄膜晶体管，其特征在于：所述薄膜晶体管为底栅底接触型、底栅顶接触型、顶栅底接触型或顶栅顶接触型。
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