CN108232013A - 制备氧化锆薄膜和柔性晶体管的方法 - Google Patents
制备氧化锆薄膜和柔性晶体管的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108232013A CN108232013A CN201711227689.1A CN201711227689A CN108232013A CN 108232013 A CN108232013 A CN 108232013A CN 201711227689 A CN201711227689 A CN 201711227689A CN 108232013 A CN108232013 A CN 108232013A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- film
- substrate
- zirconium oxide
- preparing
- flexible
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 108
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 43
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 77
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 60
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 60
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 49
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 48
- YRKCREAYFQTBPV-UHFFFAOYSA-N acetylacetone Chemical compound CC(=O)CC(C)=O YRKCREAYFQTBPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 36
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical class CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 25
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 239000008236 heating water Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 96
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 37
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 27
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 27
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 22
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- OFIYHXOOOISSDN-UHFFFAOYSA-N tellanylidenegallium Chemical compound [Te]=[Ga] OFIYHXOOOISSDN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 claims description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 9
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- XYLMUPLGERFSHI-UHFFFAOYSA-N alpha-Methylstyrene Chemical compound CC(=C)C1=CC=CC=C1 XYLMUPLGERFSHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims description 8
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims description 8
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 7
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 6
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 6
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 claims description 6
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 claims description 6
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 5
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 5
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 5
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 4
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 4
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical group [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 3
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 3
- 239000006193 liquid solution Substances 0.000 claims description 3
- -1 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 claims description 3
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 claims description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 2
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 claims description 2
- SLIUAWYAILUBJU-UHFFFAOYSA-N pentacene Chemical compound C1=CC=CC2=CC3=CC4=CC5=CC=CC=C5C=C4C=C3C=C21 SLIUAWYAILUBJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims 1
- 238000010422 painting Methods 0.000 claims 1
- JQQSUOJIMKJQHS-UHFFFAOYSA-N pentaphene Chemical compound C1=CC=C2C=C3C4=CC5=CC=CC=C5C=C4C=CC3=CC2=C1 JQQSUOJIMKJQHS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 12
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 6
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 abstract description 5
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 8
- IKXKTLBKRBLWNN-UHFFFAOYSA-N pentacene Chemical compound C1=CC=CC2=CC3=CC4=CC5=CC=CC=C5C=C4C=C3C=C21.C1=CC=CC2=CC3=CC4=CC5=CC=CC=C5C=C4C=C3C=C21 IKXKTLBKRBLWNN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 6
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000001994 activation Methods 0.000 description 4
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000006303 photolysis reaction Methods 0.000 description 4
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 3
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000013557 residual solvent Substances 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000000224 chemical solution deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005430 electron energy loss spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000013213 extrapolation Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 238000001782 photodegradation Methods 0.000 description 1
- 229920003251 poly(α-methylstyrene) Polymers 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 150000003384 small molecules Chemical group 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N sulfuric acid Substances OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
- 230000010148 water-pollination Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
- H10K10/40—Organic transistors
- H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
- H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
- H10K10/466—Lateral bottom-gate IGFETs comprising only a single gate
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
- H10K10/40—Organic transistors
- H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
- H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
- H10K10/468—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the gate dielectrics
- H10K10/472—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the gate dielectrics the gate dielectric comprising only inorganic materials
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Formation Of Insulating Films (AREA)
- Thin Film Transistor (AREA)
Abstract
本发明涉及一种制备氧化锆薄膜的方法。本发明所述的制备氧化锆薄膜的方法包括以下步骤：将乙酰丙酮锆溶于N,N‑二甲基甲酰胺(DMF)中，然后在水浴加热下搅拌至澄清透明，制成氧化锆前驱体溶液，再将氧化锆前驱体溶液涂覆在衬底上，然后在室温下的空气环境内使用紫外光(UV)对涂覆溶液后的衬底进行照射处理，得到制备在衬底上的氧化锆(ZrO2)薄膜。该制备氧化锆薄膜的方法具有处理温度低、能耗小、工艺简单、制成的氧化锆薄膜质量好且单位电容高的优点。本发明还涉及一种制备柔性晶体管的方法，包括按上述方法在柔性衬底上制备氧化锆薄膜的步骤。该制备柔性晶体管的方法处理温度低，避免柔性衬底受高温而损坏，且工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及柔性器件制备技术领域，特别是涉及制备氧化锆薄膜和柔性晶体管器件的方法。
背景技术
近年来，柔性电子技术的应用已经取得了长足的发展和深入的研究。特别是柔性可穿戴电子产品的逐渐出现，给柔性电子技术的商业化提供了更多的机会。
柔性电子器件，例如驱动柔性薄膜晶体管(TFT)包括由高介电常数栅极电介质材料(高K栅介质材料)在柔性衬底上制成的介电层。高K栅介质材料有氧化铝、氧化锆、氮氧化硅等，其制成的介电层能够减少栅极漏电流，提高晶体管的可靠性。介电层一方面需要在较低的处理温度下制备而成，以维持柔性基板的性能，另一方面需要达到较高的单位电容，才能使晶体管的工作电压足够低，保证移动电源可以满足供电需求。
然而，现有介电层的制备大多采用热氧化法、高温热退火、真空镀膜、磁控溅射等高温处理方法，会对柔性衬底造成严重破坏。例如，高温热退火制备氧化锆薄膜的步骤为：先配置氧化锆前驱体溶液，然后将氧化锆前驱体溶液涂覆在柔性衬底上，再经过500-1200℃高温烧结处理，得到氧化锆薄膜用来作为器件的介电层。高温烧结处理虽然能除去残余的溶剂，提高薄膜的致密化程度，形成高质量的氧化锆薄膜，但是柔性衬底通常为PET、PEN、PC等塑料，根本不能耐受高温。而且，热氧化法、高温热退火、真空镀膜等方法对设备要求高、操作复杂、处理成本高，不利于大面积推广。也有研究者在涂覆氧化锆前驱体溶液之后，采取50-250℃的低温处理制备氧化锆薄膜，这种低温制备方法虽然能避免高温对柔性衬底的破坏，但会使氧化锆薄膜致密程度降低而导致其介电常数过低，从而不能满足器件的性能要求。
由此可见，现有的高K栅介质材料介电层的制备方法难以解决高温处理与柔性衬板特性不兼容、低温处理导致介电性能不理想的问题，阻碍了柔性电子器件的进一步发展。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提供一种制备氧化锆薄膜的方法，其具有处理温度低、能耗小、工艺简单、制成的氧化锆薄膜质量好且单位电容高的优点。
本发明采取的技术方案如下：
一种制备氧化锆薄膜的方法，包括以下步骤：
将乙酰丙酮锆溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，然后在水浴加热下搅拌至澄清透明，制成氧化锆前驱体溶液，再将氧化锆前驱体溶液涂覆在衬底上，然后在室温下的空气环境内使用紫外光(UV)对涂覆溶液后的衬底进行照射处理，得到制备在衬底上的氧化锆(ZrO2)薄膜。
本发明利用低成本的化学溶液沉积法，结合室温下的紫外光照处理对氧化锆前驱体进行光解和固化，得到制备在衬底上的氧化锆薄膜，整个制备过程在室温下进行，衬底不会受到高温破坏，因此该方法尤其适用于在柔性衬底上制备氧化锆薄膜作为介电层，不仅解决了柔性基板与高温处理难兼容性的问题，其中的紫外光照处理还提高了氧化锆薄膜的质量，从而可提高柔性电子器件中介电层的介电常数，以保持优良的漏电性能和其他电学性能。本发明的制备氧化锆薄膜的方法具有处理温度低、能耗小、工艺简单的优点，有利于实现大面积打印绝缘层制备，适合于绝缘层的工业生产。
进一步地，所述制备氧化锆薄膜的方法具体包括以下步骤：
S1.将乙酰丙酮锆溶于N,N-二甲基甲酰胺中，配制成浓度为0.075-0.2mol/L的溶液，然后在80-100℃温度的水浴加热下搅拌6-32小时，制成氧化锆前驱体溶液；
S2.将步骤S1所得氧化锆前驱体溶液过滤后，旋涂在干净的衬底上，然后用紫外光对旋涂后的衬底照射处理10-30分钟，得到制备在衬底上的氧化锆前驱体薄膜，依次重复旋涂和紫外光照射处理数次，得到理想厚度的氧化锆前驱体薄膜；
S3.将步骤S2所得的氧化锆前驱体薄膜置于0-40℃的空气环境内，用波长185-245nm的紫外光照射处理30-120分钟，得到制备在衬底上的氧化锆薄膜。
步骤S2中紫外光照射处理的作用是初步除去多余的溶剂，重复旋涂和紫外光照射处理数次，有利于少量多次地控制氧化锆前驱体薄膜厚度的叠加，避免一次旋涂和紫外光照射处理造成氧化锆前驱体薄膜内部的溶剂难以挥发，保证氧化锆前驱体薄膜内外均匀一致，有利于后续步骤S3的进行，从而有利于提高最终所得氧化锆薄膜的质量。
步骤S3中波长185-245nm的紫外光照射处理的作用是对氧化锆前驱体进行光解和固化，并有效驱除残余溶剂，以得到制备在衬底上的氧化锆薄膜。该步骤在室温环境下进行，降低了衬底与薄膜之间的相互影响，合适的紫外处理时间不仅能形成致密的氧化锆薄膜，而且能避免界面层的产生，从而提高氧化锆电容的介电特性，进一步降低器件的驱动电压。
进一步地，步骤S2中，每次旋涂先以500rpm的转速旋涂5秒，再以2000rpm的转速旋涂40秒，避免每次旋涂的溶液过厚，不利于除去氧化锆前驱体薄膜内部的溶剂。
进一步地，步骤S3中，用波长185nm和245nm的紫外光进行照射处理。
波长185nm的紫外光有利于空气中的氧气分解为活性氧和产生臭氧，波长245nm的紫外光有利于促进前驱体溶液的分解反应，波长过长或过短都不利于形成致密的氧化锆薄膜。
进一步地，步骤S3中，采用紫外灯产生的紫外光对步骤S2所得的氧化锆前驱体薄膜进行照射处理，紫外灯与氧化锆前驱体薄膜的距离为10-40cm。
薄膜与紫外灯的距离对致密化有较大影响，太远不利于残余溶剂的挥发，太近容易使薄膜发生皲裂，合适的距离有利于薄膜质量的提高。
本发明还提供一种制备柔性晶体管的方法，包括清洗衬底的步骤，以及在衬底上依序制备底栅电极、氧化锆薄膜、界面修饰层、有源层、源漏电极的步骤；其中，在衬底上制备氧化锆薄膜的步骤按照上述任一项所述的方法进行。
进一步地，所述制备柔性晶体管的方法具体包括以下步骤：
(1)清洗衬底：选取材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的柔性衬底，用超声清洗，然后依次放入丙酮、异丙醇、去离子水、无水乙醇中清洗，再放入烘箱中烘干，接着经过紫外臭氧(UV/O3)活化处理后保存备用；紫外臭氧活化处理一方面起到清洗的作用，另一方面可以提高柔性衬底的亲水性，以达到利于薄膜铺展的作用，更优地，紫外臭氧活化处理的时间为1-5分钟；
(2)制备底栅电极：采用真空热蒸镀法在洗净的柔性衬底上沉积金属电极作为底栅电极；
(3)制备氧化锆薄膜：首先，将乙酰丙酮锆溶于N,N-二甲基甲酰胺中，配制成浓度为0.075-0.2mol/L的溶液，再在80-100℃温度的水浴加热下搅拌6-32小时，制成氧化锆前驱体溶液；然后，将氧化锆前驱体溶液过滤后，旋涂在沉积有底栅电极的柔性衬底上，然后在0-40℃下用紫外光对旋涂后的柔性衬底照射处理10-30分钟，得到制备在衬底上的氧化锆前驱体薄膜，依次重复旋涂和紫外光照射处理数次，得到理想厚度的氧化锆前驱体薄膜；接着，将氧化锆前驱体薄膜置于0-40℃的空气环境内，用波长185-245nm的紫外光照射处理30-120分钟，得到制备在沉积有底栅电极的柔性衬底上的氧化锆薄膜；
(4)制备界面修饰层：配制聚α-甲基苯乙烯树脂(PαMS)的甲苯溶液，旋涂在氧化锆薄膜上，然后在100-150℃下热处理2-10分钟，得到制备在氧化锆薄膜上的聚α-甲基苯乙烯树脂界面修饰层；
(5)制备有源层：采用真空热蒸镀法在聚α-甲基苯乙烯树脂界面修饰层上沉积一层并五苯作为有源层；
(6)制备源漏电极：采用真空热蒸镀法在并五苯有源层上沉积金属电极作为源漏电极，得到制好的柔性晶体管。
本发明制备柔性晶体管的方法有以下有益效果：
1)本发明制备的氧化锆薄膜的粗糙度小于高温处理的薄膜，更有利于后续有源层的生长，形成高质量的界面。
2)在介电性能方面，紫外处理所得氧化锆薄膜呈网状致密结构，其介电常数大，能带大，漏电小，能很好地发挥绝缘作用，减少栅极漏电流，提高晶体管的可靠性。
3)紫外处理温度低，能耗小，与塑料柔性衬底有很好的兼容性，在信息存储、柔性电子学、集成电路等领域具有广泛的应用前景。
4)真空热蒸镀过程柔性衬底所受温度为室温，在蒸镀机腔体内柔性衬底与蒸镀源距离为0.7-1m，蒸镀源的温度对柔性衬底几乎无影响。
5)整个制备过程的温度低，能耗小，工艺简单。
进一步地，步骤(3)中，旋涂后紫外光照射处理的时间为20分钟；采用紫外灯产生波长185nm和245nm的紫外光对氧化锆前驱体薄膜进行照射处理60分钟，紫外灯与氧化锆前驱体薄膜的距离为15cm。
进一步地，步骤(4)中，所配制的聚α-甲基苯乙烯树脂的甲苯溶液的质量浓度为0.2％，热处理温度为120℃，时间为5分钟。
进一步地，步骤(2)中，所沉积的金属电极为金电极，沉积厚度为40nm，沉积速率控制为0.01-0.25nm/s；步骤(5)中，并五苯的沉积厚度为40nm，沉积速率控制为0.01-0.25nm/s；步骤(6)中，所沉积的金属电极为铜电极，沉积厚度为40nm，沉积速率控制为0.01-0.25nm/s。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为P型轻掺硅衬底上UV处理60分钟后的ZrO2薄膜的TEM图；
图2为P型轻掺硅衬底上UV处理60分钟后的ZrO2薄膜表面的AMF图；
图3为P型轻掺硅衬底上UV处理60分钟后的ZrO2薄膜的击穿特性图；
图4为不同UV处理时间所得ZrO2薄膜的C-F图；
图5为不同UV处理时间所得ZrO2薄膜的厚度比较图；
图6为不同UV处理时间所得ZrO2薄膜的电子能量损失谱图；
图7为不同UV处理时间所得ZrO2薄膜的价带谱图；
图8为不同UV处理时间所得ZrO2薄膜电容器的J-V特性曲线；
图9为热处理和UV处理氧化锆成膜的过程模型图；
图10为UV处理所得ZrO2薄膜作为介电层的柔性晶体管的结构示意图；
图11为UV处理所得ZrO2薄膜作为介电层的柔性晶体管器件的可弯曲示意图；
图12为UV处理所得ZrO2薄膜作为介电层的柔性晶体管的Id-Vg转移特性曲线图。
具体实施方式
实施例1
本实施制备ZrO2薄膜的步骤如下：
S0.选取P型轻掺硅，制成尺寸为1.5cm×1.5cm的正方形薄片作为衬底。对该衬底进行超声清洗，再将其依次放入丙酮、异丙醇、去离子水、乙无水醇中清洗，以去除表面有机物等杂质，然后用质量浓度1％的氢氟酸浸泡以除去表面的二氧化硅，再冲洗干净，接着用浓硫酸浸泡除去有机残余物并使其表面亲水化，然后用氮气吹干备用。
S1.在手套箱内，将乙酰丙酮锆溶于DMF溶剂中，配制成浓度为0.15mol/L的溶液，用防水胶带密封后在90℃的水浴加热下搅拌32小时至澄清透明，制成氧化锆前驱体溶液。
S2.采用尺寸为0.22μm的滤嘴对氧化锆前驱体溶液过滤后，先以500rpm的转速在洗净的衬底上旋涂5秒，再以2000rpm的转速在衬底上旋涂40秒，接着在0-40℃下用紫外光对旋涂后的衬底照射处理20分钟，得到制备在衬底上的一层氧化锆前驱体薄膜，依次重复旋涂和紫外光照射处理两次，则在衬底上制得三层氧化锆前驱体薄膜。
S3.将步骤S2所得的氧化锆前驱体薄膜置于0-40℃的空气环境内，采用紫外灯产生的波长185和245nm的紫外光对其进行照射处理60分钟，紫外灯与薄膜的距离为15cm，于是在衬底上制得ZrO2薄膜。
请参阅图1，其为P型轻掺硅衬底上UV处理60分钟后的ZrO2薄膜的TEM图，由该图可以清晰看到三层总厚度为50nm的非晶态ZrO2薄膜，SiO2衬底的厚度为2.1nm。
请参阅图2，其为P型轻掺硅衬底上UV处理60分钟后的ZrO2薄膜表面的AMF图，该图中ZrO2薄膜的表面粗糙度RMS＝0.267m，表面平整、无孔，有利于用于制作晶体管时半导体有源层在ZrO2薄膜上生长。
请参阅图3，其为P型轻掺硅衬底上UV处理60分钟后的ZrO2薄膜的击穿特性图，由该图可见，UV处理60分钟后的ZrO2薄膜的击穿场强达到了7.9MV/cm。
实施例2
本实施例制备ZrO2薄膜的步骤与实施例1基本相同，区别在于：步骤S3中，采用紫外灯产生的波长185和245nm的紫外光对步骤S2所得的薄膜进行照射处理30分钟。
实施例3
本实施例制备ZrO2薄膜的步骤与实施例1基本相同，区别在于：步骤S3中，采用紫外灯产生的波长185和245nm的紫外光对步骤S2所得的薄膜进行照射处理120分钟。
结合图4和图5可得，UV处理60分钟后的ZrO2薄膜在频率为1KHz时的介电常数为17.8，比一般的热处理所得ZrO2薄膜的介电常数更高。
结合图6和图7，采用线性外推法，可得不同UV处理时间所得ZrO2薄膜的电子结构，其中UV处理30分钟所得ZrO2薄膜的能带为5.7，UV处理60分钟所得ZrO2薄膜的能带为6.1，UV处理120分钟所得ZrO2薄膜的能带为5.9，整体而言，室温UV处理所得ZrO2薄膜的能带都高于一般的热处理所得ZrO2薄膜，体现出更好的介电特性。
采用真空热蒸镀法分别在实施例1-3所得ZrO2薄膜上沉积40nm厚的铜电极，沉积速率为0.02nm/s，沉积在高真空下进行，得到三个ZrO2薄膜电容器。
在室温环境下，利用安捷伦B1500A高精度半导体分析仪分别对该三个ZrO2薄膜电容器的介电性能进行测试。
请参阅图8，其为不同UV处理时间所得ZrO2薄膜电容器的J-V特性曲线，由该图可见，当电压加到3V或者-3V时，三个ZrO2薄膜电容器的漏电电流特性分布在10-6～10-4A/cm2，说明室温UV处理所得ZrO2薄膜的致密性良好，其电性能稳定。随电压的增大，其中UV处理时间为60分钟的ZrO2薄膜电容器的漏电流变化最小。
请参阅图9，其为热处理和UV处理氧化锆成膜的过程模型图，该图表示根据电学特性和电子结构分析所提出的紫外光照处理致密化过程的模型。
与普通的热处理相比，紫外光照射处理引起了氧气的光分解反应，从而营造了富活性氧环境，同时光分解反应也在氧化锆前驱体中发生，使有机链发生断裂，而氧离子的加入增加了金属锆与氧的接触，有利于形成网状的致密的ZrO2薄膜，并且残余溶剂断裂的有机小分子形成COx、NOx等易挥发气体而除去。但是，随着紫外光照处理时间的加长，光分解反应的继续进行容易导致ZrO2薄膜皲裂，同时有机物会再一次裂解填充到薄膜空隙中导致薄膜性能降低，因此需要合理控制紫外光照处理的时间，确保ZrO2薄膜的质量。
实施例4
本实施例制备柔性晶体管的步骤如下：
(1)清洗衬底：选取PET柔性衬底，先裁剪成大小为1.5cm×1.5cm的正方形，再用超声清洗，然后依次放入丙酮、异丙醇、去离子水、无水乙醇中清洗，去除表面有机物等杂质，再放入烘箱中烘干，接着经过UV/O3活化处理1-5分钟后保存备用。
(2)制备底栅电极：采用真空热蒸镀法在洗净的柔性衬底上沉积厚度为40nm的金电极作为底栅电极，沉积气压为6×10-4Pa，沉积速率控制为0.02nm/s。
(3)制备ZrO2薄膜：
首先，将乙酰丙酮锆溶于DMF溶剂中，配制成浓度为0.15mol/L的溶液，然后在90℃温度的水浴加热下搅拌32小时，制成氧化锆前驱体溶液。
然后，用尺寸为0.022μm的滤嘴将氧化锆前驱体溶液过滤后，旋涂在沉积有底栅电极的柔性衬底上，然后在0-40℃下用紫外光对旋涂后的柔性衬底照射处理20分钟，得到制备在柔性衬底上的氧化锆前驱体薄膜，依次重复旋涂和紫外光照射处理数次，得到理想厚度的氧化锆前驱体薄膜；
接着，将氧化锆前驱体薄膜置于0-40℃的空气环境内，采用紫外灯产生的波长为185和245nm的紫外光进行照射处理60分钟，得到制备在沉积有底栅电极的柔性衬底上的ZrO2薄膜，该ZrO2薄膜作为柔性晶体管的介电层。
(4)制备界面修饰层：配制质量浓度为0.2％的PαMS的甲苯溶液，旋涂在ZrO2薄膜上，然后在120℃下热处理5分钟，得到制备在ZrO2薄膜上的PαMS界面修饰层。
(5)制备有源层：采用真空热蒸镀法在PαMS界面修饰层上沉积一层厚度为40nm的并五苯作为有源层，沉积速率控制为0.02nm/s。
(6)制备源漏电极：采用真空热蒸镀法在并五苯有源层上沉积厚度为40nm铜电极作为源漏电极，沉积气压为6×10-4Pa，沉积速率控制为0.02nm/s，得到制好的柔性晶体管。
如图10和图11所示，制成的柔性晶体管具有从下而上层叠设置的Gold bottomgate/ZrO2/poly(α-methylstyrene)/pentacene/copper source and drain的底栅顶电极结构，PET为衬底，金(Au)电极为底栅电极，ZrO2薄膜为介电层，PαMS为界面修饰层，并五苯(pentacene)为有源层，铜(Cu)电极为源漏电极。
在室温环境下，利用安捷伦B1500A高精度半导体分析仪对制得的柔性晶体管进行性能测试。如图12所示，该柔性晶体管的开关比约为106，迁移率达0.8，阈值电压低至-1V，亚阈值斜率低至0.2V/decade,，体现了典型晶体管的P型转移特性。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种制备氧化锆薄膜的方法，其特征在于：包括以下步骤：
将乙酰丙酮锆溶于N,N-二甲基甲酰胺中，然后在水浴加热下搅拌至澄清透明，制成氧化锆前驱体溶液，再将氧化锆前驱体溶液涂覆在衬底上，然后在室温下的空气环境内使用紫外光对涂覆溶液后的衬底进行照射处理，得到制备在衬底上的氧化锆薄膜。
2.根据权利要求1所述的制备氧化锆薄膜的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1.将乙酰丙酮锆溶于N,N-二甲基甲酰胺中，配制成浓度为0.075-0.2mol/L的溶液，然后在80-100℃温度的水浴加热下搅拌6-32小时，制成氧化锆前驱体溶液；
S2.将步骤S1所得氧化锆前驱体溶液过滤后，旋涂在干净的衬底上，然后用紫外光对旋涂后的衬底照射处理10-30分钟，得到制备在衬底上的氧化锆前驱体薄膜，依次重复旋涂和紫外光照射处理数次，得到理想厚度的氧化锆前驱体薄膜；
S3.将步骤S2所得的氧化锆前驱体薄膜置于0-40℃的空气环境内，用波长185-245nm的紫外光照射处理30-120分钟，得到制备在衬底上的氧化锆薄膜。
3.根据权利要求2所述的制备氧化锆薄膜的方法，其特征在于：步骤S2中，每次旋涂先以500rpm的转速旋涂5秒，再以2000rpm的转速旋涂40秒。
4.根据权利要求2所述的制备氧化锆薄膜的方法，其特征在于：步骤S3中，用波长185nm和245nm的紫外光进行照射处理。
5.根据权利要求4所述的制备氧化锆薄膜的方法，其特征在于：步骤S3中，采用紫外灯产生的紫外光对步骤S2所得的氧化锆前驱体薄膜进行照射处理，紫外灯与氧化锆前驱体薄膜的距离为10-40cm。
6.一种制备柔性晶体管的方法，包括清洗衬底的步骤，以及在衬底上依序制备底栅电极、氧化锆薄膜、界面修饰层、有源层、源漏电极的步骤；其特征在于：在衬底上制备氧化锆薄膜的步骤按照权利要求1-5任一项所述的方法进行。
7.根据权利要求6所述的制备柔性晶体管的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)清洗衬底：选取材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯的柔性衬底，用超声清洗，然后依次放入丙酮、异丙醇、去离子水、无水乙醇中清洗，再放入烘箱中烘干，接着经过紫外臭氧活化处理后保存备用；
(2)制备底栅电极：采用真空热蒸镀法在洗净的柔性衬底上沉积金属电极作为底栅电极；
(3)制备氧化锆薄膜：首先，将乙酰丙酮锆溶于N,N-二甲基甲酰胺中，配制成浓度为0.075-0.2mol/L的溶液，再在80-100℃温度的水浴加热下搅拌6-32小时，制成氧化锆前驱体溶液；然后，将氧化锆前驱体溶液过滤后，旋涂在沉积有底栅电极的柔性衬底上，然后在0-40℃下用紫外光对旋涂后的柔性衬底照射处理10-30分钟，得到制备在衬底上的氧化锆前驱体薄膜，依次重复旋涂和紫外光照射处理数次，得到理想厚度的氧化锆前驱体薄膜；接着，将氧化锆前驱体薄膜置于0-40℃的空气环境内，用波长185-245nm的紫外光照射处理30-120分钟，得到制备在沉积有底栅电极的柔性衬底上的氧化锆薄膜；
(4)制备界面修饰层：配制聚α-甲基苯乙烯树脂的甲苯溶液，旋涂在氧化锆薄膜上，然后在100-150℃下热处理2-10分钟，得到制备在氧化锆薄膜上的聚α-甲基苯乙烯树脂界面修饰层；
(5)制备有源层：采用真空热蒸镀法在聚α-甲基苯乙烯树脂界面修饰层上沉积一层并五苯作为有源层；
(6)制备源漏电极：采用真空热蒸镀法在并五苯有源层上沉积金属电极作为源漏电极，得到制好的柔性晶体管。
8.根据权利要求7所述的制备柔性晶体管的方法，其特征在于：步骤(3)中，旋涂后紫外光照射处理的时间为20分钟；采用紫外灯产生波长185nm和245nm的紫外光对氧化锆前驱体薄膜进行照射处理60分钟，紫外灯与氧化锆前驱体薄膜的距离为15cm。
9.根据权利要求7所述的制备柔性晶体管的方法，其特征在于：步骤(4)中，所配制的聚α-甲基苯乙烯树脂的甲苯溶液的质量浓度为0.2％，热处理温度为120℃，时间为5分钟。
10.根据权利要求7所述的制备柔性晶体管的方法，其特征在于：步骤(2)中，所沉积的金属电极为金电极，沉积厚度为40nm，沉积速率控制为0.01-0.25nm/s；步骤(5)中，并五苯的沉积厚度为40nm，沉积速率控制为0.01-0.25nm/s；步骤(6)中，所沉积的金属电极为铜电极，沉积厚度为40nm，沉积速率控制为0.01-0.25nm/s。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711227689.1A CN108232013B (zh) | 2017-11-29 | 2017-11-29 | 制备氧化锆薄膜和柔性晶体管的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711227689.1A CN108232013B (zh) | 2017-11-29 | 2017-11-29 | 制备氧化锆薄膜和柔性晶体管的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108232013A true CN108232013A (zh) | 2018-06-29 |
| CN108232013B CN108232013B (zh) | 2019-12-03 |
Family
ID=62652930
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711227689.1A Active CN108232013B (zh) | 2017-11-29 | 2017-11-29 | 制备氧化锆薄膜和柔性晶体管的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108232013B (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109244239A (zh) * | 2018-07-18 | 2019-01-18 | 华南师范大学 | 一种锆掺杂有机薄膜晶体管及其制备方法 |
| CN109698276A (zh) * | 2018-12-27 | 2019-04-30 | 广州天极电子科技有限公司 | 一种薄膜晶体管器件及其制备方法 |
| CN112053935A (zh) * | 2020-09-15 | 2020-12-08 | 重庆邮电大学 | 一种高k值氧化锆钛复合绝缘层薄膜及其晶体管制备方法 |
| CN113540254A (zh) * | 2021-06-08 | 2021-10-22 | 华南师范大学 | 一种钕掺杂的氧化锆薄膜晶体管及其制备方法和应用 |
| CN113957505A (zh) * | 2021-10-25 | 2022-01-21 | 中国船舶重工集团公司第七二五研究所 | 一种氢化锆表面氢渗透阻挡层制备方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070176163A1 (en) * | 2003-10-02 | 2007-08-02 | National Research Council Of Canada | 2,7-Carbazolenevinylene derivatives as novel materials in producing organic based electronic devices |
| CN104009093A (zh) * | 2014-06-13 | 2014-08-27 | 青岛大学 | 一种高k介电层水性氧化铟薄膜晶体管的制备方法 |
| CN106058047A (zh) * | 2016-07-06 | 2016-10-26 | 华南师范大学 | 一种用于柔性低压驱动有机薄膜晶体管的高介电栅介质材料及其制备方法与应用 |
| CN107017345A (zh) * | 2017-02-21 | 2017-08-04 | 华南师范大学 | 一种用于制备低漏电高介电绝缘材料的前驱体溶液的制备方法及其应用 |
-
2017
- 2017-11-29 CN CN201711227689.1A patent/CN108232013B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070176163A1 (en) * | 2003-10-02 | 2007-08-02 | National Research Council Of Canada | 2,7-Carbazolenevinylene derivatives as novel materials in producing organic based electronic devices |
| CN104009093A (zh) * | 2014-06-13 | 2014-08-27 | 青岛大学 | 一种高k介电层水性氧化铟薄膜晶体管的制备方法 |
| CN106058047A (zh) * | 2016-07-06 | 2016-10-26 | 华南师范大学 | 一种用于柔性低压驱动有机薄膜晶体管的高介电栅介质材料及其制备方法与应用 |
| CN107017345A (zh) * | 2017-02-21 | 2017-08-04 | 华南师范大学 | 一种用于制备低漏电高介电绝缘材料的前驱体溶液的制备方法及其应用 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| A.LIU等: "Room-temperature fabrication of ultra-thin ZrOx dielectric for high-performance InTiZnO thin-film transistors", 《CURRENT APPLIED PHYSICS》 * |
| AO LIU等: "Fully Solution-Processed Low-Voltage Aqueous In2O3 Thin-Film Transistors Using an Ultrathin ZrOx Dielectric", 《ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES》 * |
| BO-YUAN SU等: "High-performance low-temperature solution-processed InGaZnO thin-film transistors via ultraviolet-ozone photo-annealing", 《APPL. PHYS. LETT.》 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109244239A (zh) * | 2018-07-18 | 2019-01-18 | 华南师范大学 | 一种锆掺杂有机薄膜晶体管及其制备方法 |
| CN109698276A (zh) * | 2018-12-27 | 2019-04-30 | 广州天极电子科技有限公司 | 一种薄膜晶体管器件及其制备方法 |
| CN112053935A (zh) * | 2020-09-15 | 2020-12-08 | 重庆邮电大学 | 一种高k值氧化锆钛复合绝缘层薄膜及其晶体管制备方法 |
| CN113540254A (zh) * | 2021-06-08 | 2021-10-22 | 华南师范大学 | 一种钕掺杂的氧化锆薄膜晶体管及其制备方法和应用 |
| CN113540254B (zh) * | 2021-06-08 | 2023-09-29 | 华南师范大学 | 一种钕掺杂的氧化锆薄膜晶体管及其制备方法和应用 |
| CN113957505A (zh) * | 2021-10-25 | 2022-01-21 | 中国船舶重工集团公司第七二五研究所 | 一种氢化锆表面氢渗透阻挡层制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108232013B (zh) | 2019-12-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108232013B (zh) | 制备氧化锆薄膜和柔性晶体管的方法 | |
| CN106058047B (zh) | 一种用于柔性低压驱动有机薄膜晶体管的高介电栅介质材料及其制备方法与应用 | |
| CN105489486B (zh) | 一种基于超薄氧化镁高k介电层薄膜晶体管的制备方法 | |
| KR101460489B1 (ko) | 산소 플라즈마 처리 공정이 포함된 졸겔(sol-gel)법을 이용한 산화물 반도체층 방법 및 이에 의해 제조된 산화물 반도체층 | |
| CN105428247B (zh) | 一种基于水性超薄ZrO2高k介电层的薄膜晶体管制备方法 | |
| CN107195781A (zh) | 一种基于pmma掺杂小分子的高迁移率晶体管及其制备方法 | |
| CN108101381A (zh) | 一种铋基卤化物钙钛矿纳米片及其制备方法 | |
| CN109767988A (zh) | 金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法 | |
| CN109244239A (zh) | 一种锆掺杂有机薄膜晶体管及其制备方法 | |
| CN209747517U (zh) | 一种基于二维半导体材料薄膜晶体管 | |
| CN110400837B (zh) | 一种等离子体增强型溶液燃烧法制备的薄膜晶体管及方法 | |
| CN101339959B (zh) | 薄膜晶体管及其半导体薄膜的制备方法 | |
| CN105244283B (zh) | 紫外微图形化氧化物薄膜的制备方法及薄膜晶体管 | |
| Wang et al. | A UV-ozone treated amorphous barium–strontium titanate dielectric thin film for low driving voltage flexible organic transistors | |
| CN108417495A (zh) | 一种金属氧化物钝化的薄膜晶体管的制备 | |
| CN110137247A (zh) | 双层金属氧化物半导体异质结薄膜晶体管及其制备方法 | |
| CN108493098A (zh) | 基于低温溶液法p型金属碘化物薄膜晶体管的制备方法 | |
| CN115207127A (zh) | 一种基于层间滑移的多电导态铁电晶体管器件及制备方法 | |
| CN104599947A (zh) | 氧化锆绝缘薄膜及其制备方法 | |
| CN211238263U (zh) | 一种柔性纳米纤维氧化锌锡的场效应晶体管 | |
| CN106558476A (zh) | 一种制备氧化锌/硫化锌复合光电薄膜的方法 | |
| CN107017345B (zh) | 一种用于制备低漏电高介电绝缘材料的前驱体溶液的制备方法及其应用 | |
| CN111171625B (zh) | 一种墨水的快速制备方法、薄膜的制备方法和氧化物薄膜晶体管的制备方法 | |
| CN105742188B (zh) | 一种多元醇还原技术制备p型氧化物薄膜材料的方法 | |
| CN205488237U (zh) | 全石墨烯族柔性有机场效应管 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |