一种以锌锡铝钾氧化物为沟道层的薄膜晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术涉及薄膜晶体管技术领域，具体是一种以锌锡铝钾氧化物为沟道层的薄膜晶体管及其制备方法。本发明专利技术以锌锡铝钾氧化物材料作为沟道层，以有机聚四乙烯苯酚(PVP)材料作为绝缘层，以铝作为源、漏、栅电极，在普通玻璃基底上制备了顶栅共面结构的TFT。本发明专利技术中，沟道层及介质层均采用溶胶凝胶法的浸渍提拉工艺来制备，源、漏、栅电极采用真空热蒸发的方法制备。最终得到了一种具有较高饱和迁移率62.3cm2/Vs，较低亚阈值摆幅0.09V/decade，接近于零的阈值电压0.23V，较低的关态电流(

【技术实现步骤摘要】
一种以锌锡铝钾氧化物为沟道层的薄膜晶体管及其制备方法
本专利技术涉及薄膜晶体管
，具体是一种以锌锡铝钾氧化物为沟道层的薄膜晶体管及其制备方法。
技术介绍
薄膜晶体管(TFT)作为有源矩阵有机发光二极管显示(ActiveMatrixOriganicLight-EmittingDiode，AMOLED)技术中的核心元件，其包括基底、沟道层、绝缘层、栅极、源极和漏极等几个重要组成部分。目前，基于透明非晶氧化物半导体(TAOS)薄膜作为沟道层的氧化物TFT，凭借其迁移率高、可见光透明性好以及均匀性优良等特点成为最具潜力应用于AMOLED的新一代TFT技术。在氧化物TFT中，基于铟嫁锌氧化物(In-Ga-Zn-O,IGZO)材料的沟道层TFT的研究已取得了一些实质性的进展，但考虑到In、Ga的消耗与日聚增，价格持续上涨，开发不含In、Ga的新型TAOS沟道层材料是本领域的重点研究方向。锌锡氧化物(Zn-Sn-O,ZTO)具备良好的环境稳定性、高的可见光透过率、易形成平整的非晶薄膜以及组成元素丰富等优点，有潜力用于制备不含In、Ga的高迁移率氧化物沟道层材料。然而，ZTO中天然存在着氧空位及金属离子间隙等缺陷，其作为TFT沟道层时载流子浓度过高，导致TFT常工作于耗尽模式且呈现出高的关态电流，从而产生大的能耗。尽管本研究领域目前将一些低负电性的元素(例如，La、Al、Hf、W、Si、B、Li、S、Ba等)引入到ZTO材料中，以通过抑制ZTO材料中氧空位的形成来降低其电子载流子浓度，最终降低ZTOTFT的关态电流。然而，研究表明ZTO材料的电子迁移率也会随上述掺杂元素含量的增加被减小，导致TFT的饱和迁移率急剧被降低；此外，由于上述这些低负电性元素的离子往往为高价态(+3价～+6价)，很难通过改变高价态杂掺元素含量对ZTO材料载流子浓度实现精确调控，使得高价态元素的掺杂在降低TFT关态电流的同时，器件开态电流也被大幅度的降低，导致TFT呈现出较低的开关比。因此，能否对ZTO薄膜的载流子浓度实现精确调控已成为研制兼具低关态电流、高饱和迁移率、高的开关比以及工作于增强模式的ZTOTFT器件的关键。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本专利技术提供一种低成本且兼具良好电学性能及低能耗的以锌锡铝钾氧化物为沟道层的薄膜晶体管及其制备方法。一种以锌锡铝钾氧化物为沟道层的薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：(1)将Zn(C2H3O2)2·5H2O、SnCl2·2H2O、AlCl3·6H2O和KCl·3H2O溶于乙二醇中，以乙醇胺作为稳定剂，50-80℃下搅拌24-48小时形成透明的前驱体溶液；(2)将所得的前驱体溶液静置老化后，在玻璃基底上浸渍提拉镀膜，将提拉结束后的湿膜放入烘箱内，在200-250℃温度下预处理20-60分钟，然后经350-500℃退火1-5小时，得到锌锡铝钾氧化物沟道层；(3)结合掩膜，利用真空热蒸发的方法在步骤(2)所得锌锡铝钾氧化物沟道层上制备源电极和漏电极；(4)采用浸渍提拉工艺，在包含源电极和漏电极的锌锡铝钾氧化物沟道层上用溶有聚四乙烯苯酚的有机溶液制备PVP绝缘层；(5)结合掩膜，利用真空热蒸发的方法在PVP绝缘层上面制备栅电极，即得以锌锡铝钾氧化物为沟道层的薄膜晶体管。所述步骤(1)，其中乙醇胺与乙二醇体积之比为(0.1:100-1:100)。所述步骤(1)，其中前驱体溶液浓度为0.2-0.6M，Zn(C2H3O2)2·5H2O、SnCl22H2O、AlCl3·6H2O、KCl·3H2O中锌离子、锡离子、铝离子、钾离子的摩尔比为1:2:0.07:0.1。所述步骤(2)中，在玻璃基底上浸渍提拉镀膜，其提拉速度为0.1-0.5mm/s。通过提拉速度为0.1-0.5mm/s的渍提拉镀膜，从而制备了表面平整(薄膜的平均粗糙度和方均根粗糙度均低于1nm)、厚度均匀的锌锡铝钾氧化物薄膜，这有利于沟道层与绝缘层间良好界面的形成，有助于提升器件的饱和迁移率。所述步骤(2)中，前驱体溶液在玻璃基底上浸渍提拉、烘箱内烘烤及退火的次数均为2-4次。通过控制浸渍提拉、烘箱内烘烤及退火的次数，从而形成了致密的锌锡铝钾氧化物薄膜，降低了因半导体沟道层中缺陷态对电子载流子捕获或散射造成器件饱和迁移率劣化的影响。所述步骤(3)中，采用真空热蒸发的方法，具体操作步骤是：以氧化铝为掩膜制备源电极、漏电极，控制热蒸发电流为65A，热蒸发电压为60-80V，且最终得到的薄膜晶体管的源电极和漏电极均为金属铝电极。以获得与锌锡铝钾氧化物沟道层欧姆接触的源电极和漏电极。所述步骤(4)中，聚四乙烯苯酚溶液浓度为75mg/mL，有机溶剂为无水乙醇或丙酮；浸渍提拉工艺中控制提拉速度为1.0mm/s，提拉2次，提拉后于70-120℃中烘烤60分钟。此条件下可以制备得到具备较低漏电流密度、表面平整(薄膜的平均粗糙度和方均根粗糙度均低于1nm)、厚度均匀、致密的绝缘层，这不仅有利于降低器件的漏电流，还劣化了因半导体沟道层/绝缘层界面处的缺陷态对电子载流子捕获或散射造成器件饱和迁移率恶化的影响。所述步骤(5)中，利用真空热蒸发的方法在PVP绝缘层上面制备栅电极，是以氧化铝为掩膜制备栅电极，并控制热蒸发电流为65A，热蒸发电压为60-80V，且制备得到的薄膜晶体管的栅电极为金属铝电极。这样获得的栅电极具备低电阻率(<10-6Ω·cm)的优势，有助于减少栅电极与源电极、漏电极间的RC信号延迟。对制备过程进行控制，使最终得到的薄膜晶体管的沟道层为厚度45-80nm的锌锡铝钾氧化物薄膜；绝缘层为厚度160nm的聚四乙烯苯酚薄膜；源电极、漏电极及栅电极均为厚度为80-120nm的金属铝薄膜。上述厚度的控制，是在保证薄膜晶体管器件具备高性能、低能耗的前提下，尽可能的降低其厚度，以满足器件小型化发展的趋势。目前，低成本的溶胶凝胶法制备TFT的氧化物沟道层近年来受到了研究人员的青睐。然而，相比传统溅射法而言，基于溶胶凝胶法制备氧化物沟道层的TFT器件迁移率普遍偏低，而在240HZ的8K4K超高清电流驱动的AMOLED显示中要求TFT的迁移率至少需30cm2/Vs以上，且基于溶胶凝胶法工艺的TFT还存在漏电流过高的问题，因此，如果能够改善沟道层材料本身的性能，有利于促进基于溶胶凝胶法制备氧化物TFT器件性能的提升。考虑到铝离子以及钾离子与氧的结合能力要高于锌或锡离子与氧的结合能力，理论上来讲，铝和钾共掺杂对ZTO体系的氧空位缺陷(提供电子载流子)能起到一定抑制效果。由于铝离子和钾离子分别为高金属价态(+3价)和低金属价态(+1价)，铝和钾共掺杂可通过改变高金属价态铝离子(Al3+)的掺杂含量对ZTO材料中的氧空位缺陷浓度起到粗调，通过调整低金属价态钾离子(K1+)的掺杂含量对ZTO材料中的氧空位缺陷浓度起到微调，以实现对ZTO薄膜的电子载流子浓度的精确调控。更值得一提的是铝离子以及钾离子的外层电子结构对方向的变化不敏感，将其引入非晶ZTO材料中，有望在分子比较无序的状态下使材料兼具比较高的电子迁移率。此外，铝元素以及钾元素无毒、来源丰富、价格低廉，还可以作为ZTO薄膜非晶态结构的稳定剂。上述优点使得锌锡铝钾氧化物材料如果被用作TFT沟本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以锌锡铝钾氧化物为沟道层的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将Zn(C2H3O2)2·5H2O、SnCl2·2H2O、AlCl3·6H2O和KCl·3H2O溶于乙二醇中，以乙醇胺作为稳定剂，50‑80℃下搅拌24‑48小时形成透明的前驱体溶液；(2)将所得的前驱体溶液静置老化后，在玻璃基底上浸渍提拉镀膜，将提拉结束后的湿膜放入烘箱内，在200‑250℃温度下预处理20‑60分钟，然后经350‑500℃退火1‑5小时，得到锌锡铝钾氧化物沟道层；(3)结合掩膜，利用真空热蒸发的方法在步骤(2)所得锌锡铝钾氧化物沟道层上制备源电极和漏电极；(4)采用浸渍提拉工艺，在包含源电极和漏电极的锌锡铝钾氧化物沟道层上用溶有聚四乙烯苯酚的有机溶液制备PVP绝缘层；(5)结合掩膜，利用真空热蒸发的方法在PVP绝缘层上面制备栅电极，即得以锌锡铝钾氧化物为沟道层的薄膜晶体管。

【技术特征摘要】
1.一种以锌锡铝钾氧化物为沟道层的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将Zn(C2H3O2)2·5H2O、SnCl2·2H2O、AlCl3·6H2O和KCl·3H2O溶于乙二醇中，以乙醇胺作为稳定剂，50-80℃下搅拌24-48小时形成透明的前驱体溶液；(2)将所得的前驱体溶液静置老化后，在玻璃基底上浸渍提拉镀膜，将提拉结束后的湿膜放入烘箱内，在200-250℃温度下预处理20-60分钟，然后经350-500℃退火1-5小时，得到锌锡铝钾氧化物沟道层；(3)结合掩膜，利用真空热蒸发的方法在步骤(2)所得锌锡铝钾氧化物沟道层上制备源电极和漏电极；(4)采用浸渍提拉工艺，在包含源电极和漏电极的锌锡铝钾氧化物沟道层上用溶有聚四乙烯苯酚的有机溶液制备PVP绝缘层；(5)结合掩膜，利用真空热蒸发的方法在PVP绝缘层上面制备栅电极，即得以锌锡铝钾氧化物为沟道层的薄膜晶体管。2.根据权利要求1所述的以锌锡铝钾氧化物为沟道层的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)，其中乙醇胺与乙二醇体积之比为(0.1:100-1:100)。3.根据权利要求1所述的以锌锡铝钾氧化物为沟道层的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)，其中前驱体溶液浓度为0.2-0.6M，Zn(C2H3O2)2·5H2O、SnCl22H2O、AlCl3·6H2O、KCl·3H2O中锌离子、锡离子、铝离子、钾离子的摩尔比为1:2:0.07:0.1。4.根据权利要求1所述的以锌锡铝钾氧化物为沟道层的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在玻璃基底上浸渍提拉镀膜，其提拉速度为...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳兰，孟繁新，任达森，
申请(专利权)人：贵州民族大学，
类型：发明
国别省市：贵州,52