CN108493098A - 基于低温溶液法p型金属碘化物薄膜晶体管的制备方法 - Google Patents
基于低温溶液法p型金属碘化物薄膜晶体管的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108493098A CN108493098A CN201810341058.0A CN201810341058A CN108493098A CN 108493098 A CN108493098 A CN 108493098A CN 201810341058 A CN201810341058 A CN 201810341058A CN 108493098 A CN108493098 A CN 108493098A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cui
- film transistor
- preparation
- dielectric layer
- spin coating
- 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.)
- Pending
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 20
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 20
- 150000002497 iodine compounds Chemical class 0.000 title claims abstract description 17
- 238000006068 polycondensation reaction Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 239000010408 film Substances 0.000 claims abstract description 46
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 27
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 claims abstract description 11
- YRKCREAYFQTBPV-UHFFFAOYSA-N acetylacetone Chemical compound CC(=O)CC(C)=O YRKCREAYFQTBPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 23
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 19
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 15
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- HZAXFHJVJLSVMW-UHFFFAOYSA-N 2-Aminoethan-1-ol Chemical compound NCCO HZAXFHJVJLSVMW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 12
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 claims description 9
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims description 9
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 7
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 6
- 229940031098 ethanolamine Drugs 0.000 claims description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 6
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000013019 agitation Methods 0.000 claims description 5
- ZHNUHDYFZUAESO-UHFFFAOYSA-N Formamide Chemical compound NC=O ZHNUHDYFZUAESO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 4
- 238000006303 photolysis reaction Methods 0.000 claims description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 4
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 claims description 4
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 3
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 3
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000007711 solidification Methods 0.000 claims description 3
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 claims description 3
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 3
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 2
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000007747 plating Methods 0.000 claims description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000008023 solidification Effects 0.000 claims description 2
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims 1
- 238000011161 development Methods 0.000 abstract description 7
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 abstract description 4
- 238000010129 solution processing Methods 0.000 abstract description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 2
- 229910021595 Copper(I) iodide Inorganic materials 0.000 description 41
- 239000000463 material Substances 0.000 description 12
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 6
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 6
- 239000000306 component Substances 0.000 description 4
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-M iodide Chemical compound [I-] XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 229940006461 iodide ion Drugs 0.000 description 4
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 4
- 239000000047 product Substances 0.000 description 4
- 206010001497 Agitation Diseases 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- -1 NiO Chemical class 0.000 description 2
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000010422 painting Methods 0.000 description 2
- 238000001782 photodegradation Methods 0.000 description 2
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000002000 scavenging effect Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 2
- 229910052774 Proactinium Inorganic materials 0.000 description 1
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005864 Sulphur Substances 0.000 description 1
- 238000004847 absorption spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 238000004774 atomic orbital Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- BERDEBHAJNAUOM-UHFFFAOYSA-N copper(I) oxide Inorganic materials [Cu]O[Cu] BERDEBHAJNAUOM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LSXDOTMGLUJQCM-UHFFFAOYSA-M copper(i) iodide Chemical compound I[Cu] LSXDOTMGLUJQCM-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- KRFJLUBVMFXRPN-UHFFFAOYSA-N cuprous oxide Chemical compound [O-2].[Cu+].[Cu+] KRFJLUBVMFXRPN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 description 1
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N indium(III) oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[In+3].[In+3] PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052809 inorganic oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N iodine Chemical compound II PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006193 liquid solution Substances 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 229910001511 metal iodide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 1
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011669 selenium Substances 0.000 description 1
- 239000011265 semifinished product Substances 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/16—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising cuprous oxide or cuprous iodide
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66007—Multistep manufacturing processes
- H01L29/66969—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies not comprising group 14 or group 13/15 materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
- H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
- H01L29/786—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Thin Film Transistor (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于低温溶液法p型金属碘化物薄膜晶体管的制备方法，首先利用“溶胶凝胶法”制备超薄ZrO2高k介电薄膜代替传统SiO2作为p型TFT器件的栅介电层；然后采用相同溶液加工技术制备CuI半导体沟道层，紫外‑可见光吸收能谱测试表明CuI薄膜具有极强的紫外吸收能力；最后通过热蒸发法制备源、漏电极，完成基于高k介电层的p型CuI/ZrO2薄膜晶体管的制备，制得的产物具有低的操作电压，优异的电学性能，为低功耗、高性能CMOS器件的发展奠定良好的科学基础。
Description
技术领域：
本发明涉及一种金属碘化物薄膜晶体管的制备方法，尤其是一种p型金属碘化物薄膜晶体管的制备方法，属于薄膜晶体管制备技术领域。
背景技术：
近年来，薄膜晶体管 (Thin-Film Transistor，简称TFT) 在有源矩阵驱动液晶显示器件 (Active Matrix Liquid Crystal Display, 简称AMLCD) 中发挥了重要作用。从低温非晶硅薄膜晶体管到高温多晶硅薄膜晶体管，技术越来越成熟，应用对象也从只能驱动液晶显示器件 (Liquid Crystal Display，简称 LCD) 发展到既可以驱动LCD又可以驱动有机发光显示器 (Organic Light Emitting Display，简称 OLED)，甚至电子纸。薄膜晶体管（简称TFT）已经成为平板显示行业的核心部件，每台显示器都集成了数百万甚至上亿个TFT器件。目前研究与应用最多的半导体材料为无机金属氧化物，例如ZnO、SnO2和In2O3，或其多元混合物(Nature, 432 488, 2004;Nature Materials, 10 382, 2011)。然而，这些无机氧化物材料均展现n型半导体特性，这极大的限制了互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,简称 CMOS) 器件和数字集成电路的发展。在以往的文献报道中，为了实现高共模输入范围和高输出电压摆幅的CMOS器件，有机TFT通常被用作其中的p型单元器件 (Advanced Materials 22 3598, 2010)。但是有机TFT的低迁移率和环境稳定性差等缺点仍然是目前难以攻克的难关。基于上述原因，发展新型无机p型半导体材料及其TFT器件对于大规模CMOS集成电路的发展具有重要的意义。
目前，常用的无机P型半导体材料主要集中于CuO、Cu2O、NiO、SnO等金属氧化物，基于该类p型氧化物作为TFT沟道层的器件通常表现出较差的电学性能(Advanced Materials28 3831, 2016)。这主要是由于金属氧化物半导体材料的价带主要由氧的2p轨道组成，由于其较大的电负性，空穴被高度束缚且不能在电场下快速移动，这使得器件的场效应迁移率（<0.5 cm2/Vs）远远低于n型金属氧化物半导体材料（10-100 cm2/Vs）。为了解决这一问题，近期有相关文献理论研究表明：采用具有更小电负性和较大原子轨道半径的阴离子（例如碘、硫、硒离子）替代氧离子可以实现更加分散的价带排布，从而实现器件更高的场效应迁移率(Nature Communications 4 2292, 2013)。基于上述理论，碘化亚铜（CuI）开始进入相关研究人员的视野。该材料主要优点如下：1）CuI是一种环境友好材料，其组成元素在自然界中广泛存在；2）CuI是一种宽禁带半导体材料，其禁带宽度超过3 eV，这为透明器件的制备奠定重要的基础；3）CuI本身具有极高的本征载流子迁移率（44 cm2/Vs），远大于目前已知的其他无机p型半导体材料，这对于高性能器件的制备具有得天独厚的优势。然而经过调研发现目前鲜有文献报道基于CuI沟道层的TFT器件。这主要是由于本征CuI为简并半导体 （Proceedings of the National Academy of Sciences 113 12929, 2016），其具有的极高载流子浓度在电场下难以受到调控，因此TFT器件不具备开关特性。为了有效地调节CuI薄膜中的载流子浓度，一个有效的办法是减小碘离子的含量。目前广为认可的技术是通过传统加热方式 （100-350摄氏度）。在本专利中我们提出一种利用紫外光近室温光分解CuI薄膜中碘离子的技术路线。该方法相比于传统热退火具有较大的优势，其不仅成本低廉、高效节能、且更适用于工业大面积薄膜制备的要求。
此外，目前p型CuI薄膜的制备大多基于真空沉积方法 (例如磁控溅射、脉冲激光沉积、热蒸发等)，这类真空制备工艺需要依托昂贵的设备且难以实现大面积成膜，制约了低成本电子器件的生产。考虑到将来电子器件发展的新方向—“印刷电子器件”，利用成本低廉的化学溶液技术制备功能薄膜将是一个更好的选择。目前文献报道中有关化学溶液法制备的无机p型TFT器件均需要苛刻的实验条件：超过250摄氏度的退火温度、超过12小时的退火周期和复杂的制备过程。其较高的退火温度限制了绝大多数的柔性衬底，不利于柔性p型电子器件的发展。因此开发一种低温退火、可溶液加工的新型无机p型半导体材料成为实现大规模集成电路的首要任务。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种基于低温溶液法p型金属碘化物薄膜晶体管的制备方法，从而克服上述现有技术中的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于低温溶液法p型金属碘化物薄膜晶体管的制备方法,其特征在于：以乙腈作为溶剂、以CuI作为溶质，采用旋涂工艺并结合紫外光退火技术在接近室温条件下制备p型CuI半导体薄膜，并进一步制备成CuI薄膜晶体管的沟道层；用低阻硅作为衬底，用ZrO2超薄高k介质薄膜替代传统的SiO2栅介电层，制备成p型金属碘化物薄膜晶体管。
本发明进一步限定的技术方案为：
优选的，上述技术方案中，
具体工艺步骤为：
（1）清洗衬底：选取电阻率为0.0015 Ω•cm的低阻硅作为衬底，并依次用丙酮和异丙醇超声波清洗衬底各5-15分钟，用去离子水冲洗3-5次，再用高纯氮气吹干备用；
（2）制备栅介电层前驱体溶液：将0.01-0.5摩尔/升的乙酰丙酮锆Zr(C5H7O2)4溶于二甲基甲酰胺中，同时加入与乙酰丙酮锆等摩尔量的乙醇胺作为稳定剂，乙醇胺与二甲基甲酰胺的体积比为1：1-10，在低于室温条件下磁力搅拌形成澄清透明的栅介电层前驱体溶液；
（3）溶胶-凝胶法制备栅介电层：利用溶胶-凝胶技术将步骤（2）获得的栅介电层前驱体溶液旋涂在低阻硅衬底上，旋涂时先在500转/分转速下旋涂5秒，然后在5000转/分转速下旋涂20秒；然后将薄膜放到高压汞灯下进行紫外光照处理30分钟，实现光解和固化后得到ZrO2栅介电层薄膜；
（4）制备沟道层前驱体溶液：称量适量的乙腈作为溶剂，称量适量纯度均大于99.5%的CuI粉末加入溶剂中，在20-50摄氏度条件下磁力搅拌1-24小时形成澄清的溶液，溶液中金属Cu离子的浓度为3-30毫克/毫升，完成沟道层前驱体溶液的配制；
（5）采用溶液法制备CuI沟道层：将配制的沟道层前驱体溶液旋涂在步骤（3）制得的ZrO2栅介电层薄膜成品上，旋涂次数为1-3次，每增加一次旋涂薄膜厚度增加3-15纳米，旋涂时在3000-7000转/分转速下匀胶15-60秒，旋涂结束后将制得的CuI薄膜放到高压汞灯下进行紫外光照处理使样品实现光解和固化的目的；其中高压汞灯的功率为1-3千瓦，紫外光照射时间为10-120分钟，样品距离汞灯的距离为1-20厘米；完成p型CuI半导体沟道层的制备；
（6）热蒸发法制备源、漏电极：最后通过热蒸发的方式，在CuI沟道层半导体薄膜上用宽长比为1000/250微米的不锈钢掩膜版制备40-100纳米厚的金属Ni作为源、漏电极，制备得到Ni/CuI/ZrO2/Si结构的薄膜晶体管。
优选地，上述技术方案中，制得的Ni/CuI/ZrO2/Si结构的薄膜晶体管的载流子迁移率为1.9 cm2/V s，操作电压小于1.5伏，有效降低了器件能耗。
优选地，上述技术方案中，步骤（3）开始前，先将步骤（1）处理完毕的低阻硅衬底放入等离子体清洗腔内,并将清洗腔内压力抽取至0.5 Pa后通入30 SCCM且纯度为99.99%的氧气，控制功率为30 瓦，清洗时间为5 分钟。
优选地，步骤（6）中，热蒸发实验条件为真空度为<2*10-4 Pa, 沉积速率为0.01-0.02 纳米/秒。
本发明涉及的p型金属碘化物薄膜晶体管的制备方法的工作原理为：首先利用“溶胶凝胶法”制备超薄ZrO2高k介电薄膜代替传统SiO2作为p型TFT器件的栅介电层；然后采用相同溶液加工技术制备CuI半导体沟道层，紫外-可见光吸收能谱测试表明CuI薄膜具有极强的紫外吸收能力；这暗示我们可以借助紫外光光分解技术调节薄膜中碘离子的数量从而控制TFT器件电学性能；最后通过热蒸发法制备源、漏电极，完成基于高k介电层的p型CuI/ZrO2薄膜晶体管的制备，制得的产物具有低的操作电压，优异的电学性能，为低功耗、高性能CMOS器件的发展奠定良好的科学基础。
本发明与现有技术相比，采用“溶胶凝胶法”在空气环境下制备p型CuI半导体薄膜，满足未来“印刷电子器件”的技术要求；此外首次采用紫外光分解技术在接近室温的条件下制备p型CuI薄膜晶体管，满足绝大多数柔性衬底的要求，经过文献调研，这也是首次在近室温条件下制备无机TFT器件；制得的CuI/ZrO2 TFT器件具有极低的操作电压，优异的电学性能；另外，其制备工艺不依赖昂贵的真空镀膜设备，能够有效降低制备成本，因此，在低能耗电子显示、CMOS集成领域具有广阔的应用前景，其工艺简单，原理可靠，节能环保，制备成本低廉，产品性能好，能够用于工业化生产，具有良好的经济效益和广阔的市场前景。
附图说明：
图1为本发明涉及的p型金属碘化物 （CuI） 薄膜晶体管的主体结构原理示意图。
图2为CuI前驱体溶液的紫外-可见光吸收光谱。
图3为本发明制备的Ni/CuI/ZrO2/Si结构的薄膜晶体管的转移特性曲线图，其中，4条转移曲线分别为不同的紫外光照射时间 （分别为：0、15、30、45分钟）。
图4为Ni/CuI/ZrO2/Si结构的薄膜晶体管的在不同频率下的电流响应曲线图 （频率分别为：1、10、100、1000赫兹）。
具体实施方式：
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
本实施例涉及的p型金属碘化物薄膜晶体管的制备方法，具体包括以下工艺步骤：
（1）清洗衬底：首先选取电阻率为0.0015 Ω•cm的低阻硅作为衬底，并依次用丙酮和异丙醇超声波清洗衬底各5-15分钟（优选10分钟），用去离子水冲洗3-5次（优选3分钟），再用纯度为99.99%的氮气吹干备用；
（2）溶胶-凝胶法制备栅介电层：将0.01-0.5摩尔/升（优选0.1摩尔/升）的乙酰丙酮锆Zr(C5H7O2)4溶于二甲基甲酰胺中，同时加入与乙酰丙酮锆等摩尔量的乙醇胺作为稳定剂，乙醇胺与二甲基甲酰胺的体积比为1：1-10（优选1：5），在7摄氏度下磁力搅拌3小时形成澄清透明的栅介电层前驱体溶液；再将步骤（1）处理完毕的低阻硅衬底放入等离子体清洗腔内,并将清洗腔内压力抽取至0.5 Pa后通入30 SCCM且纯度为99.99%的氧气，控制功率为30瓦，清洗时间为5 分钟；接着利用常规的溶胶-凝胶技术旋涂栅介电层前驱体溶液在低阻硅衬底上，旋涂1次后低阻硅衬底表面形成薄膜，旋涂时先在500转/分转速下旋涂5秒，然后在5000转/分转速下旋涂20秒；然后将薄膜放到高压汞灯下进行紫外光照处理30分钟，实现光解和固化后得到ZrO2栅介电层薄膜；
（3）采用溶胶-凝胶法制备半导体沟道层：然后称5毫升乙腈作为溶剂，称量30毫克CuI粉末加入溶剂中，乙腈和CuI粉末均购于Aldrich公司，纯度大于98%；放置于20-50摄氏度（优选室温25℃）下搅拌1-24小时（优选3小时），完成前驱体溶液的配制；将配制的沟道层前驱体溶液旋涂在步骤（2）制得的ZrO2栅介电层薄膜成品上，旋涂次数为1-3次（优选1次），旋涂时在3000-7000转/分转速（优选6000转/分转速）下匀胶15-60秒（优选30秒），旋涂结束后将制得的CuI薄膜半成品放到紫外光照射时间为10-120分钟，（优选高压汞灯下照射0、15、30、45分钟），其中高压汞灯功率为1-3千瓦（优选1千瓦），主波长为UVC 和UVD，汞灯光源距离样品表面1-20厘米（优选10厘米），完成p型CuI沟道层半导体薄膜的制备；
（4）热蒸发法制备源、漏电极：最后通过热蒸发的方式，在CuI沟道层半导体薄膜上用宽长比为1000/250微米的不锈钢掩膜版制备50纳米厚的金属Ni作为源、漏电极，制备得到Ni/CuI/ZrO2/Si结构的薄膜晶体管。制得的Ni/CuI/ZrO2/Si结构的薄膜晶体管的载流子迁移率为1.9 cm2/V s，操作电压小于1.5伏，有效降低了器件能耗。
对制得的p型金属碘化物薄膜晶体管进行测试，图1为主体结构原理示意图。图2为CuI前驱体溶液的紫外-可见光吸收谱。从图2我们可以看出CuI具有极强的光吸收能力，吸收的光能可以有效分解薄膜中碘离子含量。图3为不同紫外光照时间下Ni/CuI/ZrO2/Si结构TFT的转移特性曲线。从图3我们可以看出随着光照时间的增加，器件电学性能得到有效的调控，即器件电流得到抑制，进而实现器件从全开态转变到具有开关特性的状态；其中我们可以看出紫外光照15分钟的TFT器件性能最佳。图4为紫外光照15分钟的Ni/CuI/ZrO2/SiTFT器件随不同频率响应的曲线。从图4我们可以器件表现极佳的操作稳定性，即在不同频率下均可以保证良好的开关特性，这为后续逻辑电路的实现奠定重要的试验基础。测试结果均由吉时利4200-SCS半导体测试仪测试得到。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (5)
1.基于低温溶液法p型金属碘化物薄膜晶体管的制备方法,其特征在于：以乙腈作为溶剂、以CuI作为溶质，采用旋涂工艺并结合紫外光退火技术在接近室温条件下制备p型CuI半导体薄膜，并进一步制备成CuI薄膜晶体管的沟道层；用低阻硅作为衬底，用ZrO2超薄高k介质薄膜替代传统的SiO2栅介电层，制备成p型金属碘化物薄膜晶体管。
2.根据权利要求1所述的基于低温溶液法p型金属碘化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：具体工艺步骤为：
（1）清洗衬底：选取电阻率为0.0015 Ω•cm的低阻硅作为衬底，并依次用丙酮和异丙醇超声波清洗衬底各5-15分钟，用去离子水冲洗3-5次，再用高纯氮气吹干备用；
（2）制备栅介电层前驱体溶液：将0.01-0.5摩尔/升的乙酰丙酮锆Zr(C5H7O2)4溶于二甲基甲酰胺中，同时加入与乙酰丙酮锆等摩尔量的乙醇胺作为稳定剂，乙醇胺与二甲基甲酰胺的体积比为1：1-10，在低于室温条件下磁力搅拌形成澄清透明的栅介电层前驱体溶液；
（3）溶胶-凝胶法制备栅介电层：利用溶胶-凝胶技术将步骤（2）获得的栅介电层前驱体溶液旋涂在低阻硅衬底上，旋涂时先在500转/分转速下旋涂5秒，然后在5000转/分转速下旋涂20秒；然后将薄膜放到高压汞灯下进行紫外光照处理30分钟，实现光解和固化后得到ZrO2栅介电层薄膜；
（4）制备沟道层前驱体溶液：称量适量的乙腈作为溶剂，称量适量纯度均大于99.5%的CuI粉末加入溶剂中，在20-50摄氏度条件下磁力搅拌1-24小时形成澄清的溶液，溶液中金属Cu离子的浓度为3-30毫克/毫升，完成沟道层前驱体溶液的配制；
（5）采用溶液法制备CuI沟道层：将配制的沟道层前驱体溶液旋涂在步骤（3）制得的ZrO2栅介电层薄膜成品上，旋涂次数为1-3次，每增加一次旋涂薄膜厚度增加3-15纳米，旋涂时在3000-7000转/分转速下匀胶15-60秒，旋涂结束后将制得的CuI薄膜放到高压汞灯下进行紫外光照处理使样品实现光解和固化的目的；其中高压汞灯的功率为1-3千瓦，紫外光照射时间为10-120分钟，样品距离汞灯的距离为1-20厘米；完成p型CuI半导体沟道层的制备；
（6）热蒸发法制备源、漏电极：最后通过热蒸发的方式，在CuI沟道层半导体薄膜上用宽长比为1000/250微米的不锈钢掩膜版制备40-100纳米厚的金属Ni作为源、漏电极，制备得到Ni/CuI/ZrO2/Si结构的薄膜晶体管。
3.根据权利要求2所述的基于低温溶液法p型金属碘化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：制得的Ni/CuI/ZrO2/Si结构的薄膜晶体管的载流子迁移率为1.9 cm2/V s，操作电压小于1.5伏，有效降低了器件能耗。
4.根据权利要求2所述的基于低温溶液法p型金属碘化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，步骤（3）开始前，先将步骤（1）处理完毕的低阻硅衬底放入等离子体清洗腔内,并将清洗腔内压力抽取至0.5 Pa后通入30 SCCM且纯度为99.99%的氧气，控制功率为30 瓦，清洗时间为5 分钟。
5.根据权利要求2所述的基于低温溶液法p型金属碘化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，步骤（6）中，热蒸发实验条件为真空度为<2*10-4 Pa, 沉积速率为0.01-0.02 纳米/秒。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810341058.0A CN108493098A (zh) | 2018-04-17 | 2018-04-17 | 基于低温溶液法p型金属碘化物薄膜晶体管的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810341058.0A CN108493098A (zh) | 2018-04-17 | 2018-04-17 | 基于低温溶液法p型金属碘化物薄膜晶体管的制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108493098A true CN108493098A (zh) | 2018-09-04 |
Family
ID=63314613
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810341058.0A Pending CN108493098A (zh) | 2018-04-17 | 2018-04-17 | 基于低温溶液法p型金属碘化物薄膜晶体管的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108493098A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110349972A (zh) * | 2019-06-20 | 2019-10-18 | 深圳市华星光电技术有限公司 | 一种薄膜晶体管基板及其制备方法 |
| CN113013253A (zh) * | 2021-02-24 | 2021-06-22 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种p型薄膜晶体管及其制备方法和反相器 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
-
2018
- 2018-04-17 CN CN201810341058.0A patent/CN108493098A/zh active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| CHANG YANG ET AL: "Room-temperature synthesized copper iodide thin film as degenerate p-type transparent conductor with a boosted figure of merit", 《APPLIED PHYSICA SCIENCES》 * |
| CHANG-HO CHOI ET AL: "Low-temperature, Inkjet Printed p-type Copper(I) Iodide Thin Film Transistors", 《JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY C》 * |
| YONG-HOON KIM ET AL: "Flexible metal-oxide devices made by room-temperature photochemical activation of sol–gel films", 《NATURE》 * |
| 史玖德: "《光电管与光电倍增管》", 30 November 1981 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110349972A (zh) * | 2019-06-20 | 2019-10-18 | 深圳市华星光电技术有限公司 | 一种薄膜晶体管基板及其制备方法 |
| CN113013253A (zh) * | 2021-02-24 | 2021-06-22 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种p型薄膜晶体管及其制备方法和反相器 |
| CN113013253B (zh) * | 2021-02-24 | 2022-06-28 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种p型薄膜晶体管及其制备方法和反相器 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104009093B (zh) | 一种高k介电层水性氧化铟薄膜晶体管的制备方法 | |
| Zhu et al. | Eco-Friendly, Water-Induced In 2 O 3 Thin Films for High-Performance Thin-Film Transistors and Inverters | |
| 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 | |
| CN113013253B (zh) | 一种p型薄膜晶体管及其制备方法和反相器 | |
| CN107195784B (zh) | 一种快速氧化处理钙钛矿太阳电池空穴传输层的方法 | |
| Ding et al. | Flexible-blade coating of small molecule organic semiconductor for low voltage organic field effect transistor | |
| CN111864079B (zh) | 一种双电子传输层柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法 | |
| CN105895829B (zh) | 一种Cu：NiO纳米粒子、发光二极管及其制备方法 | |
| CN103928350B (zh) | 一种双沟道层薄膜晶体管的制备方法 | |
| CN107359248A (zh) | 一种稳定无光浴高效有机太阳能电池器件及其制备方法 | |
| CN105489486A (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 | |
| 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 | |
| Wang et al. | Solution-driven HfLaO x-based gate dielectrics for thin film transistors and unipolar inverters | |
| CN101267020A (zh) | 有机薄膜晶体管及其制造方法 | |
| Zhu et al. | Water-derived all-oxide thin-film transistors with ZrAlO x gate dielectrics and exploration in digital circuits | |
| CN106952828A (zh) | 一种p型金属氧化物薄膜晶体管的制备方法 | |
| Yang et al. | Unlocking the Potential of Tin‐Based Perovskites: Properties, Progress, and Applications in New‐Era Electronics | |
| CN108417495A (zh) | 一种金属氧化物钝化的薄膜晶体管的制备 | |
| CN105977165B (zh) | p型氧化铜薄膜晶体管的制备方法 | |
| CN105633282B (zh) | 一种带有电致变色薄膜的光敏有机场效应晶体管 | |
| CN109851571B (zh) | 一种共轭有机小分子界面修饰材料、制备方法及其构成的有机太阳电池 | |
| CN111969067A (zh) | 一种氧化铟薄膜晶体管及其制备方法 | |
| CN106410041B (zh) | 聚合物太阳能电池及制备方法 | |
| Ke et al. | Pulsed laser deposition of amorphous InGaZnO4 as an electron transport layer for perovskite solar cells | |
| CN114678470A (zh) | 含多环共轭有机路易斯碱分子的钙钛矿电池及制备方法 |
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 | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180904 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |