CN110534434B - 一种溶液法制备金属氧化物tfd的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于印刷电子技术领域，公开了一种溶液法制备金属氧化物TFD的方法。选取禁带宽度相近的金属氧化物绝缘材料和金属氧化物导电材料的前驱体，将其分别溶于同一种溶剂或互溶的溶剂得到绝缘材料前驱体溶液和导电材料前驱体溶液：然后将绝缘材料前驱体溶液和导电材料前驱体溶液依次旋涂于正极衬底上，热退火处理后沉积一层负电极材料，得到金属氧化物TFD。本发明基于溶液法旋涂禁带宽度相近且能溶于互溶或同一溶剂体系的绝缘层和导体层，利用绝缘层和导体层之间形成较大混溶区，使得金属氧化物薄膜器件表现出二极管的整流特性，制备出高性能的金属氧化物薄膜二极管。
Description
技术领域
本发明属于印刷电子技术领域，具体涉及一种溶液法制备金属氧化物TFD的方法。
背景技术
薄膜二极管(Thin Film Diode，简称TFD)，是一种用途广泛的半导体器件，其最重要的用途是在显示器中用于驱动液晶排列变化，有着高画质、超低功耗、小型化、动态影像的显示能力以及快速的反应时间的特点。现主流薄膜二极管多采用硅材料，然而硅材料有着透过率低，成本高昂等缺点，且现在多采用真空法制备薄膜半导体器件，有着设备费用高昂，操作流程复杂，制备条件苛刻等缺点。
发明内容
针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种溶液法制备金属氧化物TFD的方法。本发明选取禁带宽度相近的金属氧化物绝缘材料和导电材料，并将它们溶于同一或互溶的溶剂获得前驱体溶液，然后进行旋涂来制备薄膜二极管(TFD)，成功制备出高性能的金属氧化物薄膜二极管。
本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的金属氧化物TFD。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种溶液法制备金属氧化物TFD的方法，包括如下制备步骤：
(1)选取禁带宽度相近的金属氧化物绝缘材料和金属氧化物导电材料的前驱体，将其分别溶于同一种溶剂或互溶的溶剂得到绝缘材料前驱体溶液和导电材料前驱体溶液：所述禁带宽度相近的金属氧化物绝缘材料为氧化锆、氧化铝、氧化铪或氧化钇，金属氧化物导电材料为氧化铟、氧化亚锡或氧化锌；
(2)在玻璃衬底表面沉积一层正电极材料，清洗烘干，得到正电极；
(3)将绝缘材料前驱体溶液旋涂于步骤(2)的正电极上，然后进行热退火，得到金属氧化物绝缘层薄膜；
(4)将导电材料前驱体溶液旋涂于步骤(3)的金属氧化物绝缘层薄膜上，然后进行热退火，得到金属氧化物导体层薄膜；
(5)在金属氧化物导体层薄膜表面沉积一层负电极材料，得到金属氧化物TFD。
优选地，所述氧化锆的前驱体为ZrOCl2·8H2O(八水合氧氯化锆)或Zr(NO3)4·5H2O(五水合硝酸锆)；氧化铝的前驱体为Al(NO3)3·9H2O(九水合硝酸铝)；氧化铪的前驱体为HfOCl2·8H2O(八水合氧氯化铪)；氧化钇的前驱体为Y(NO3)3·6H2O(六水合硝酸钇)。
优选地，所述氧化铟的前驱体为In(NO3)3·H2O(硝酸铟水合物)；氧化亚锡的前驱体为Sn(NO3)2(硝酸亚锡)或SnCl2(氯化亚锡)；氧化锌的前驱体为Zn(NO3)2(硝酸锌)或ZnCl2(氯化锌)。
优选地，所述溶剂为乙二醇单甲醚或乙二醇。
优选地，所述绝缘材料前驱体溶液和导电材料前驱体溶液的浓度不大于0.6mol/L。
优选地，步骤(3)和(4)中所述旋涂的次数为1～5次；所述旋涂的转速为4000～6000rpm，每一次旋涂的时间为30～40s，每一次旋涂完后进行预退火处理，预退火处理的温度为200～400℃，时间为3～5min。
优选地，步骤(3)和(4)中所述热退火的温度为200～400℃，时间为1～2h。
优选地，所述正电极材料为ITO，所述负电极材料为Al(铝)电极或Mo(钼)电极。
一种金属氧化物TFD，通过上述方法制备得到。
本发明中，由于采用禁带宽度相近的绝缘材料和导体材料，且溶于可互溶的溶剂体系或同一溶剂体系，基于溶液法制成高性能薄膜二极管。这种薄膜二极管的绝缘层和导体层之间由于禁带宽度相近，同时溶于可互溶的溶剂体系，因此存在较大厚度的混溶区，而这混溶区可作为绝缘层和导体层形成导电沟道的过渡区，当正电极施加正电压时，由于夹杂区的存在使得电子可以从负电极经过导体薄膜后进入绝缘层薄膜的导带，因此形成电流。而当正电极施加负电压时，由于栅极与绝缘层导带间势垒较大，电子无法跃迁到绝缘层导带，因此电流较小，从而使器件表现出作为二极管的整流特性。上述原理示意图如图1所示(其中(a)-正电极施加正电压时；(b)-正电极施加负电压时)。而真空法制备二极管，绝缘层和导体层之间难以形成如此厚的混溶区，而由于厚度过小，混溶区难以起到过渡的作用，即使当正电极施加正向电压，电子也难以通过半导体层进入绝缘层，因此这是基于溶液法才得以实现的良好特性。
本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：
本发明基于溶液法旋涂禁带宽度相近且能溶于互溶或同一溶剂体系的绝缘层和导体层，利用绝缘层和导体层之间形成较大混溶区，使得金属氧化物薄膜器件表现出二极管的整流特性，制备出高性能的金属氧化物薄膜二极管。
附图说明
图1是本发明溶液法制备的金属氧化物TFD的原理示意图；
图2是本发明实施例中所得金属氧化物TFD的结构示意图；
图3是本发明实施例1中所得金属氧化物TFD的绝缘层薄膜和导体层薄膜的XPS图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例的一种溶液法制备金属氧化物TFD的方法，具体制备步骤如下：
(1)选取禁带宽度相近的金属氧化物绝缘材料氧化锆和金属氧化物导电材料氧化铟的前驱体ZrOCl2·8H2O和In(NO3)3·H2O，将其分别溶于乙二醇单甲醚溶剂得到浓度为0.4mol/L的绝缘材料前驱体溶液和导电材料前驱体溶液。
(2)在玻璃衬底表面沉积一层正电极材料ITO，清洗烘干，得到正电极。
(3)将绝缘材料前驱体溶液旋涂于步骤(2)的正电极上，旋涂的次数为3次；所述旋涂的转速为5000rpm，每一次旋涂的时间为30s，每一次旋涂完后进行预退火处理，预退火的温度为300℃，预退火的时间为4min，在全部旋涂完成后进行退火处理，退火温度与预退火温度相同，退火时间为1h。
(4)将导电材料前驱体溶液旋涂于步骤(3)的金属氧化物绝缘层薄膜上，旋涂的次数为3次；所述旋涂的转速为5000rpm，每一次旋涂的时间为30s，每一次旋涂完后进行预退火处理时，预退火的温度为300℃，预退火的时间为4min，在全部旋涂完成后进行退火处理，退火温度与预退火温度相同，退火时间为1h。
(5)在金属氧化物导体层薄膜表面沉积一层Al电极材料，得到金属氧化物TFD。
本实施例所得金属氧化物TFD的结构示意图如图2所示。包括依次层叠的衬底1、正电极2、金属氧化物绝缘层薄膜3、金属氧化物导体层薄膜4和负电极5。
本实施例所得金属氧化物TFD的绝缘层薄膜和导体层薄膜的XPS图如图3所示。结果分析如下表1所示：
表1
由以上结果可以看到在绝缘层氧化锆和导体层氧化铟之间存在浓度的渐进，作为混溶区。
实施例2
本实施例的一种溶液法制备金属氧化物TFD的方法，具体制备步骤如下：
(1)选取禁带宽度相近的金属氧化物绝缘材料氧化铝和金属氧化物导电材料氧化亚锡的前驱体Al(NO3)3·9H2O和Sn(NO3)2，将其分别溶于乙二醇溶剂得到浓度为0.3mol/L的绝缘材料前驱体溶液和导电材料前驱体溶液。
(2)在玻璃衬底表面沉积一层正电极材料ITO，清洗烘干，得到正电极。
(3)将绝缘材料前驱体溶液旋涂于步骤(2)的正电极上，旋涂的次数为3次；所述旋涂的转速为4000rpm，每一次旋涂的时间为40s，每一次旋涂完后进行预退火处理，预退火的温度为300℃，预退火的时间为3min，在全部旋涂完成后进行退火处理，退火温度与预退火温度相同，退火时间为2h。
(4)将导电材料前驱体溶液旋涂于步骤(3)的金属氧化物绝缘层薄膜上，旋涂的次数为3次；所述旋涂的转速为4000rpm，每一次旋涂的时间为40s，每一次旋涂完后进行预退火处理，预退火的温度为300℃，预退火的时间为3min；在全部旋涂完成后进行退火处理，退火温度与预退火温度相同，退火时间为2h。
(5)在金属氧化物导体层薄膜表面沉积一层Mo电极材料，得到金属氧化物TFD。
本实施例所得金属氧化物TFD的结构示意图如图2所示。包括依次层叠的衬底1、正电极2、金属氧化物绝缘层薄膜3、金属氧化物导体层薄膜4和负电极5。
本实施例所得金属氧化物TFD的绝缘层薄膜和导体层薄膜的XPS图表明在绝缘层氧化铝和导体层氧化亚锡之间存在浓度的渐进，作为混溶区。
实施例3
本实施例的一种溶液法制备金属氧化物TFD的方法，具体制备步骤如下：
(1)选取禁带宽度相近的金属氧化物绝缘材料氧化钇和金属氧化物导电材料氧化铟的前驱体Y(NO3)3·6H2O和In(NO3)3·H2O，将其分别溶于乙二醇单甲醚溶剂得到浓度为0.4mol/L的绝缘材料前驱体溶液和导电材料前驱体溶液。
(2)在玻璃衬底表面沉积一层正电极材料ITO，清洗烘干，得到正电极。
(3)将绝缘材料前驱体溶液旋涂于步骤(2)的正电极上，旋涂的次数为3次；所述旋涂的转速为5000rpm，每一次旋涂的时间为30s，每一次旋涂完后进行预退火处理，预退火的温度为300℃，预退火的时间为4min，在全部旋涂完成后进行退火处理，退火温度与预退火温度相同，退火时间为1h。
(4)将导电材料前驱体溶液旋涂于步骤(3)的金属氧化物绝缘层薄膜上，旋涂的次数为3次；所述旋涂的转速为5000rpm，每一次旋涂的时间为30s，每一次旋涂完后进行预退火处理，预退火的温度为300℃，预退火的时间为4min，在全部旋涂完成后进行退火处理，退火温度与预退火温度相同，退火时间为1h。
(5)在金属氧化物导体层薄膜表面沉积一层Al电极材料，得到金属氧化物TFD。
本实施例所得金属氧化物TFD的结构示意图如图2所示。包括依次层叠的衬底1、正电极2、金属氧化物绝缘层薄膜3、金属氧化物导体层薄膜4和负电极5。
本实施例所得金属氧化物TFD的绝缘层薄膜和导体层薄膜的XPS图表明在绝缘层氧化钇和导体层氧化铟之间存在浓度的渐进，作为混溶区。
实施例4
本实施例的一种溶液法制备金属氧化物TFD的方法，具体制备步骤如下：
(1)选取禁带宽度相近的金属氧化物绝缘材料氧化铪和金属氧化物导电材料氧化亚锡的前驱体HfOCl2·8H2O和Sn(NO3)2，将其分别溶于乙二醇溶剂得到浓度为0.5mol/L的绝缘材料前驱体溶液和导电材料前驱体溶液。
(2)在玻璃衬底表面沉积一层正电极材料ITO，清洗烘干，得到正电极。
(3)将绝缘材料前驱体溶液旋涂于步骤(2)的正电极上，旋涂的次数为3次；所述旋涂的转速为6000rpm，每一次旋涂的时间为35s，每一次旋涂完后进行预退火处理，预退火的温度为300℃，预退火的时间为5min，在全部旋涂完成后进行退火处理，退火温度与预退火温度相同，退火时间为1.5h。
(4)将导电材料前驱体溶液旋涂于步骤(3)的金属氧化物绝缘层薄膜上，旋涂的次数为3次；所述旋涂的转速为6000rpm，每一次旋涂的时间为35s，每一次旋涂完后进行预退火处理，预退火的温度为300℃，预退火的时间为5min，在全部旋涂完成后进行退火处理，退火温度与预退火温度相同，退火时间为1.5h。
(5)在金属氧化物导体层薄膜表面沉积一层Mo电极材料，得到金属氧化物TFD。
本实施例所得金属氧化物TFD的结构示意图如图2所示。包括依次层叠的衬底1、正电极2、金属氧化物绝缘层薄膜3、金属氧化物导体层薄膜4和负电极5。
本实施例所得金属氧化物TFD的绝缘层薄膜和导体层薄膜的XPS图表明在绝缘层氧化铪和导体层氧化亚锡之间存在浓度的渐进，作为混溶区。
以上实施例1～4所得金属氧化物TFD的制备参数及器件性能列举如下表2所示：
表2
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种溶液法制备金属氧化物薄膜二极管（ TFD） 的方法，其特征在于包括如下制备步骤：
（1）选取禁带宽度相近的金属氧化物绝缘材料和金属氧化物导电材料的前驱体，将其分别溶于同一种溶剂或互溶的溶剂得到绝缘材料前驱体溶液和导电材料前驱体溶液：所述禁带宽度相近的金属氧化物绝缘材料为氧化锆、氧化铝、氧化铪或氧化钇，金属氧化物导电材料为氧化铟、氧化亚锡或氧化锌；
（2）在玻璃衬底表面沉积一层正电极材料，清洗烘干，得到正电极；
（3）将绝缘材料前驱体溶液旋涂于步骤（2）的正电极上，然后进行热退火，得到金属氧化物绝缘层薄膜；
（4）将导电材料前驱体溶液旋涂于步骤（3）的金属氧化物绝缘层薄膜上，然后进行热退火，得到金属氧化物导体层薄膜；
（5）在金属氧化物导体层薄膜表面沉积一层负电极材料，得到在所述金属氧化物绝缘层薄膜与所述金属氧化物导体层薄膜之间具有混溶区的金属氧化物薄膜二极管（ TFD） 。
2.根据权利要求1所述的一种溶液法制备金属氧化物薄膜二极管（ TFD） 的方法，其特征在于：所述氧化锆的前驱体为ZrOCl2·8H2O或Zr(NO3)4·5H2O；氧化铝的前驱体为Al(NO3)3·9H2O；氧化铪的前驱体为HfOCl2·8H2O；氧化钇的前驱体为Y(NO3)3·6H2O。
3.根据权利要求1所述的一种溶液法制备金属氧化物薄膜二极管（ TFD） 的方法，其特征在于：所述氧化铟的前驱体为In(NO3)3·H2O；氧化亚锡的前驱体为Sn(NO3)2或SnCl2；氧化锌的前驱体为Zn(NO3)2或ZnCl2。
4.根据权利要求1所述的一种溶液法制备金属氧化物薄膜二极管（ TFD） 的方法，其特征在于：所述溶剂为乙二醇单甲醚或乙二醇。
5.根据权利要求1所述的一种溶液法制备金属氧化物薄膜二极管（ TFD） 的方法，其特征在于：所述绝缘材料前驱体溶液和导电材料前驱体溶液的浓度不大于0.6mol/L。
6.根据权利要求1所述的一种溶液法制备金属氧化物薄膜二极管（ TFD） 的方法，其特征在于：步骤（3）和（4）中所述旋涂的次数为1~5次；所述旋涂的转速为4000~6000rpm，每一次旋涂的时间为30~40s，每一次旋涂完后进行预退火处理，预退火处理的温度为200~400℃，时间为3~5min。
7.根据权利要求1所述的一种溶液法制备金属氧化物薄膜二极管（ TFD） 的方法，其特征在于：步骤（3）和（4）中所述热退火的温度为200~400℃，时间为1~2h。
8.根据权利要求1所述的一种溶液法制备金属氧化物薄膜二极管（ TFD） 的方法，其特征在于：所述正电极材料为ITO，所述负电极材料为 Al电极或Mo电极。
9.一种金属氧化物薄膜二极管（ TFD） ，其特征在于：通过权利要求1~8任一项所述的方法制备得到。
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