金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法与流程

本发明电子
技术领域：
，具体涉及一种电子器件，特别涉及一种溶水液法低电压高性能金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法。
背景技术：
：随着现代显示技术的进步，人们对于高性能的薄膜晶体管的需求日益增长。采用溶液法制备的金属氧化物薄膜晶体管近年来备受关注，他们有着较高的迁移率以及透过率，同时也具有低成本，可低温制备，易于应用于柔性材料和大面积集成等优点。因此溶液法制备的金属氧化物薄膜晶体管近年来成为了研究热点。zno基金属氧化物薄膜晶体管当前主要由原子层沉积，磁控溅射，脉冲激光沉积等高真空方法制备，成本高企且无法应用于大面积生产。溶液法制备的高性能zno基金属氧化物薄膜晶体管可大大降低生产成本，同时不依赖于高真空设备。但是溶液法制备zno基金属氧化物薄膜晶体管的主要障碍是：(a)为了形成功能性zno半导体薄膜，退火温度需要至少达到350℃，使其无法运用到pi等柔性材料上，(b)传统工艺中sio2绝缘层的使用导致工作电压通常都在十伏以上。较高的工作电压限制了其得到更广泛的应用领域，(c)传统溶液法制备工艺常采用高毒性的2-巯基乙醇溶液作为前驱体溶液，污染环境且无法应用于可植入器件。技术实现要素：本发明针对现有zno基薄膜晶体管现有技术的不足，提供一种成本较低，低电压高性能的碱金属参杂zno基金属氧化物薄膜晶体管，并提供了工艺简单、安全环保的水溶液制备该晶体管的方法。本发明的第一方面提供了一种金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，所述金属氧化物薄膜晶体管包括柔性绝缘衬底，栅电极，绝缘层，半导体层，源电极和漏电极，其制备方法包括：：(a)在绝缘衬底的上表面上形成栅电极；(b)配制水为溶剂的栅极绝缘层前驱体水溶液，然后用旋涂法在栅电极和柔性绝缘衬底上覆盖形成栅极绝缘层；(c)配制水为溶剂的半导体层前驱体水溶液，然后用旋涂法在绝缘层上形成金属氧化物半导体层；(d)在金属氧化物半导体层上分别形成源电极和漏电极；(f)在源电极和漏电极之间形成半导体沟道层。优选地，制备方法的所有步骤中，工艺的最高温度不超过300℃。优选地，步骤(b)中，先以3500rpm～4500rpm转速旋涂栅极前驱体水溶液中的一种，然后经退火处理制得栅极绝缘层。优选地，栅极前驱体水溶液中选自氧化镓，氧化铪或硝酸铝的水溶液，最终形成氧化镓，氧化铪，或氧化铝的栅极绝缘层。优选地，步骤(c)中，先以先以3500rpm～4500rpm转速旋涂碱金属参杂zno水溶液前驱体源，然后经退火处理制得金属氧化物半导体层。优选地，所述碱金属选自li,na,k,rb,cs,fr中的一种或多种。金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，具体步骤为：(a)采用丝网印刷，光刻，喷墨印刷，或者使用一定图案的掩膜进行热蒸度或电子束蒸镀的方法在绝缘衬底的上表面上形成栅电极；(b)配制水为溶剂的栅极绝缘层前驱体水溶液，然后用旋涂法在栅电极和柔性绝缘衬底上覆盖形成栅极绝缘层；(c)配制水为溶剂的半导体层前驱体水溶液，然后用旋涂法在绝缘层上形成金属氧化物半导体层；(d)采用丝网印刷，光刻，喷墨印刷或者使用一定图案的掩膜进行热蒸度或电子束蒸镀的方法在半导体层上分别形成源电极和漏电极；(f)在源电极和漏电极之间形成半导体沟道层。本发明中，所述栅极绝缘层为水溶液旋涂法制备的氧化镓，氧化铪，或氧化铝绝缘层。步骤(b)中水溶液旋涂法制备为：先以1000-6000rpm转速旋涂氧化镓，氧化铪或氧化铝绝缘层水溶液前驱体源中的一种，后在加热板上以100-300摄氏度退火。本发明第二方面提供一种金属氧化物薄膜晶体管，其包括：绝缘衬底，栅电极，栅极绝缘层，金属氧化物半导体层，源电极和漏电极，其中绝缘衬底位于金属氧化物薄膜晶体管的最底层，栅电极，栅极绝缘层，金属氧化物半导体层，自下而上依次叠覆于该绝缘衬底之上，源电极和漏电极分别位于金属氧化物半导体层之上且位于金属氧化物薄膜晶体管的最顶层。优选地，所述绝缘衬底为玻璃薄膜或聚酰亚胺薄膜，耐高温300℃以上。优选地，所述栅电极材料，源电极和漏电极的材料分别选自金，银，铜，铝，氮化钛，氧化铟锡，氧化锌铝或氧化铟锌中的一种或两种以上的组合。优选地，所述栅极绝缘层为旋涂法制备的氧化镓层，氧化铪层或氧化铝绝缘层。优选地，所述金属氧化物半导体层为采用旋涂法制备的碱金属参杂zno金属氧化物半导体层。本发明中，所述氧化镓水溶液前驱体源由以下步骤制备：将一定浓度的硝酸镓溶于去离子水中，再进行一定时常的磁力搅拌或超声处理形成特定浓度的硝酸镓水溶液，然后过滤待用；氧化铪水溶液前驱体源由以下步骤制备：将一定浓度的氯化铪溶于去离子水中，再进行一定时常的磁力搅拌或超声处理形成特定浓度的氯化铪水溶液，然后过滤待用；氧化铝水溶液前驱体源由以下步骤制备：将一定浓度的硝酸铝溶于去离子水中，再进行一定时常的磁力搅拌或超声处理形成特定浓度的硝酸铝水溶液，然后过滤待用。所述金属氧化物半导体层为采用水溶液旋涂法制备的碱金属参杂zno金属氧化物半导体层。步骤(c)中，水溶液旋涂法为：先以1000-6000rpm转速旋涂碱金属参杂zno水溶液前驱体源，后在加热板上以100-300摄氏度退火处理制得金属氧化物半导体层。所述碱金属参杂zno水溶液前驱体源由以下步骤制备：将0.05-3摩尔浓度的氧化锌溶于氨水中，再将与氧化锌摩尔比为0.1-20％的氢氧化锂，氢氧化钾，氢氧化钠，氢氧化铷，氢氧化铯，氢氧化钫中的一种或几种加入其中。然后进行磁力搅拌或超声处理形成碱金属参杂zno水溶液前驱体源溶液，之后过滤待用。所述碱金属选自li,na,k,rb,cs,fr中的一种或多种。本发明优选的技术方案中，所述栅电极、源电极、漏电极由磁控溅射，热蒸度或电子束蒸镀技术，室温下生长获得。本发明所提出的水溶液绝缘层制备方法制备的薄膜晶体管可以提供极高的绝缘层电容值以及高质量的绝缘层薄膜，降低了薄膜晶体管的工作电压以及回滞，且最高退火温度不超过300℃，可以应用于pi等柔性基底上。本发明所提出的水溶液法制备的zno基半导体层可以在不超过300℃的低温下制备高质量的半导体薄膜，且通过碱金属参杂zno极大的提高了薄膜晶体管的电学性能。本发明的水溶液法制备绝缘层，半导体层薄膜可以在低温下制备高质量的绝缘层以及半导体层。所使用的前驱体源均为水溶液，制备工艺简单安全，成本较低。本发明提供了一种低温制备zno基金属氧化物薄膜晶体管的全水溶液法。利用水溶液法制备的氧化铝绝缘层拥有高电容值的特点，制备高性能低工作电压的zno基金属氧化物薄膜晶体管，所使用的前驱体源均为水溶液，具有安全环保的特点。且提出了利用碱金属(锂，钾，钠，铷，铯，钫)参杂制备zno提升半导体薄膜迁移率的方案。附图说明图1是本发明的金属氧化物薄膜晶体管结构剖面示意图。其中，11:绝缘衬底，12:栅电极，13:栅极绝缘层，14:金属氧化物半导体层，15:源电极，16:漏电极，图2是本发明实施例2制备的金属氧化物薄膜晶体管的转移特性曲线。图3是本发明实施例2制备的金属氧化物薄膜晶体管的传输特性曲线。具体实施方式以下结合附图描述本发明具体实施方式。如图1所示本发明的水溶液法制备的低电压高性能碱金属参杂zno基金属氧化物薄膜晶体管，其为底栅顶接触结构，其包括绝缘衬底(11)，栅电极(12)，栅极绝缘层(13)，金属氧化物半导体层(14)，源电极(15)和漏电极(16)，绝缘衬底(11)为玻璃或聚酰亚胺薄膜，其位于金属氧化物薄膜晶体管的最底层；其中，栅电极(12)，栅极绝缘层(13)，金属氧化物半导体层(14)，自下而上依次叠覆于该绝缘衬底(11)之上；栅电极(12)材料选自金，银，铜，铝，氮化钛，氧化铟锡，氧化锌铝或氧化铟锌中的一种或两种以上的组合；所述栅极绝缘层(13)为水溶液法制备的氧化镓，氧化铪或氧化铝绝缘层；所述金属氧化物半导体层(14)为采用水溶液旋涂法制备的碱金属参杂zno金属氧化物半导体层(14)。源电极(15)和漏电极(16)分别位于金属氧化物半导体层(14)之上且位于金属氧化物薄膜晶体管的最顶层；所述源电极(15)和漏电极(16)的材料为金，银，铜，铝，氮化钛，氧化铟锡，氧化锌铝或氧化铟锌中的一种或两种以上的组合。实施例2本发明的底栅顶接触水液法低电压高性能金属氧化物薄膜晶体管的制造工艺包括如下步骤：a)绝缘衬底的清洗处理；b)热蒸镀沉积栅电极(12)c)表面清水处理d)水溶液法旋涂退火得到栅极绝缘层e)水溶液法旋涂退火得到金属氧化物半导体层f)通过光刻湿法刻蚀获得栅极绝缘层与双层金属氧化物半导体层图形。g)lift-off工艺沉积源漏电极所属步骤a)的绝缘衬底清洗处理工艺包括以下步骤：1.丙酮超声清洗柔性衬底-pi薄膜/石英(11)10min；2.乙醇超声清洗柔性衬底-pi薄膜/石英(11)10min；3.去离子水冲洗，氮气吹干。所述步骤b)中热蒸镀沉积栅电极为，采用一定图案的掩模版在绝缘衬底上蒸镀厚度为50nm的金栅电极。所述步骤c)表面清水处理为，将样品进行30min的duv,uv/ozone，oxygenplasma，或airplasma的表面清水处理。所述步骤d)中水溶液法由以下步骤制备：1.取9.37825g硝酸铝水合物溶于10ml去离子水中，磁力搅拌20min得到硝酸铝溶液。2.使用0.45um的pes过滤嘴将硝酸铝溶液过滤得到氧化铝前驱体源。所述旋涂退火是指4500rpm，40s旋涂；而后使用加热板进行300度空气中退火1h，或使用10分钟-1小时的duv的uv/ozone退火处理得到氧化铝栅极绝缘层。所述步骤e)中水溶液法由以下步骤制备：1.取80mg的zno纳米粉末以及与zno摩尔比为15％的lioh溶于10ml28％浓度的氨水中，磁力搅拌12h得到li参杂的锌氨络合物溶液。2.使用0.45um的pes过滤嘴将锌氨络合物溶液过滤得到li参杂zno前驱体源。所述旋涂退火是指4500rpm，40s旋涂；而后使用加热板进行300度空气中退火1h，或使用10分钟-1小时的duv的uv/ozone退火处理得到li参杂zno金属氧化物半导体层。所述步骤f)中光刻湿法刻蚀为，栅极绝缘层与双层金属氧化物半导体层图形由光刻后湿法刻蚀获得，采用10％浓度的hcl溶液刻蚀20s。所述步骤g)中lift-off工艺具体为，采用az5214胶，4000rpm旋涂30s，110度前烘60s，曝光25s，显影60s，后烘110度90s，得到电极区域窗口；磁控溅射沉积氮化钛，氧化铟锡，氧化锌铝，氧化铟锌，金，银，铜，或铝100nm；丙酮超声10min去除光刻胶以及其上导电薄膜，获得有图形的源漏电极(12)。图2以及图3分别给出了本发明实施例2水溶液法制备低电压高性能碱金属参杂zno基金属氧化物薄膜晶体管的转移特性和输出特性曲线，电学特性如下表所示迁移率(cm2v-1s-1)开关比(ion/ioff)阈值电压(v)亚阈值摆幅(mv/decade)53.29331400000.86670.2666从上表可以看出，通过本发明所述的水溶液法低电压高性能碱金属参杂zno基金属氧化物薄膜晶体管有着优越的电学性能，工作电压小于3v,其中迁移率达到了53.2933cm2v-1s-1，这在现阶段国内外报道的低温条件下制备zno基薄膜晶体管中处于领先水平。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。当前第1页12