基于Al2O3高k介质层的GaSnO薄膜晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术属于薄膜晶体管制备技术领域，具体为一种基于Al2O3高k介质层的GaxSn1‑xO薄膜晶体管及其制备方法。本发明专利技术采用溶液法在硅基片上制备Al2O3高k介质层和GaxSn1‑xO沟道层，源漏电极采用ITO或Al电极，形成具有一定电学功能的底栅结构型TFT器件。本发明专利技术将传统的溶液制备Al2O3介质层技术和无铟GaxSn1‑xO双金属氧化物沟道有机结合，实现了高性能的场效应TFT器件，最佳的性能参数为场效应迁移率76.3 cm2V‑1s‑1，饱和迁移率71.6 cm2V‑1s‑1，开关比1.8×107，阈值电压0.67V，亚阈值摆幅76mVdec‑1。

【技术实现步骤摘要】
基于Al2O3高k介质层的GaSnO薄膜晶体管及其制备方法
本专利技术属于薄膜晶体管制备
，具体涉及一种基于Al2O3高k介质层的GaSnO场效应器件及其制备方法。
技术介绍
薄膜晶体管（Thin-FilmTransistors,TFTs）是一种场效应晶体管（Field-EffectTransistor,FET），由栅电极、介质层、有源层以及源漏电极构成。薄膜晶体管主要应用于平板显示技术中的液晶显示器（LiquidCrystalDisplays,LCD）以及有源矩阵有机发光二极管（ActiveMatrix/OrganicLightEmittingDiode:AMOLED）。除在显示领域较为成熟的应用之外，薄膜晶体管还可应用于仿生传感器、神经网络和人工智能等新兴领域，成为交叉学科关注的焦点。目前应用在显示器当中的氧化物TFT主要是IGZO，但我们都知道In元素是一种稀有元素，在地壳中的丰度仅为0.25ppm（百万分之一），因此价格昂贵，不仅如此，In元素是一种有毒元素，对人体伤害较大。因此，学术界和工业界十分关注无In-TFT的开发，希望能找到一种可以媲美IGZO的材料。纵观元素周期表，SnO2是一种极为优秀的半导体材料，有如下几种优点：①Sn3+和In3+具有相似的电子结构[Kr]4d105s0，易于实现高迁移率；②地壳丰度为2.2ppm；③耐酸碱腐蚀，具有极强的化学稳定性；④耐机械刻蚀，具有极强的机械应力。另外通过查阅元素周期表我们知道，Sn3+和Ga3+具有相似的半径，分别为0.69Å和0.62Å，能够降低半导体薄膜中的结构缺陷，不会严重劣化器件的整体性能，因此GaSnO作为一种新型的半导体进入了人们的视界。除了沟道层不含铟元素之外，人们普遍关注的是如何降低器件的成本、功耗以满足未来极大规模电路的需求，以及未来人们在柔性可穿戴领域的期待。与工业界普遍应用的真空沉积法相比，溶液法目前还处在研究阶段，有如下几种优点：①价格低廉；②无等离子体轰击，对衬底的破坏性较小；③对环境要求不高，可大气条件制备。在集成电路晶体管越来越密集的今天，晶体管结构尺寸都必须缩小以满足要求，但是传统的介质层SiO2在厚度减薄时由于较小的介电常数会出现较大的栅漏电流，因此必须采用高k介质来取代SiO2。氧化铝薄膜是一种高度透明的绝缘体，禁带宽度为8.9eV，和SiO2一致，但是其介电常数为9，而SiO2仅为3.9。虽然采用Al2O3作为TFT介质层已有报道，但是去研究无铟GaSnO沟道层的却未见报道。本文采用Al2O3高k介质层，制备出了高性能的GaSnO薄膜晶体管，具有广阔的应用前景。本专利技术提出一种基于Al2O3高k介质层的高性能GaSnO-TFT的制备方法，介质层和沟道层均为溶液法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于Al2O3高k介质层的高性能GaSnO-TFT及其制备方法。本专利技术提供的GaSnO-TFT器件的制备方法，采用溶液法，具体步骤如下：（1）制备Al2O3前驱体溶液以乙二醇单甲醚为溶剂，将九水合硝酸铝Al(NO3)3·9H2O溶解于其中，经1h-5h的时间搅拌后过滤形成澄清透明的溶液，其中，Al3+的浓度为0.1Mol-0.5Mol，所制备得到的溶液置于湿度低于10%RH的手套箱中静置24h-48h；（2）制备沟道层前驱体溶液以乙二醇单甲醚为溶剂，将二水合氯化亚锡SnCl2·2H2O室温溶解在其中，后加入一定量的Ga(NO3)3·xH2O，其摩尔浓度比为Ga:Sn=0.1-0.3，经1h-5h的时间搅拌后形成澄清透明的溶液，搅拌温度为25℃-60℃，总浓度为0.1Mol-0.3Mol；（3）TFT器件的制备将步骤（1）制备得到的Al2O3前驱体溶液旋转涂覆于清洗好的p型硅基片上，经过热处理，形成致密的Al2O3介质层，将步骤（2）制备得到的GaSnO前驱体溶液旋转涂覆于Al2O3介质层上，经过热处理，形成致密的GaSnO沟道层，最后在沟道层表面沉积ITO或Al电极。见图7所示。本专利技术中，所述Al2O3前驱体溶液的旋转涂覆速度为3000-5000rpm，涂覆时间为30s-60s，所述GaSnO前驱体溶液的旋转涂覆速度为3000-4000rpm，涂覆时间为20s-40s。本专利技术中，所述热处理包括预退火处理和高温退火处理。其中：Al2O3前驱体薄膜的预退火处理温度为150℃-250℃，预退火处理时间为10min-30min；GaSnO前驱体薄膜的预退火处理温度为100℃-150℃，预退火处理时间为5min-20min。Al2O3前驱体薄膜的高温退火温度为350℃-500℃，高温退火时间为30min-2h；GaSnO前驱体薄膜的高温退火温度为300℃-400℃，高温退火时间为30min-2h。本专利技术中，ITO电极的沉积方法为射频磁控溅射法，Al电极的沉积方法为真空蒸发法。本专利技术各层的制备均是将前驱体溶液调到一定浓度再单次制备，这样做的好处是，避免每次旋涂因为基底不同而造成薄膜质量劣化，所制备得到的Al2O3薄膜具有平整的表面，5μm×5μm范围内的均方根粗糙度小于1nm，采用上述介质层制备得到的GaSnO场效应器件具有极好的性能，最佳的性能参数为场效应迁移率76.3cm2V-1s-1，饱和迁移率71.6cm2V-1s-1，开关比1.8×107，阈值电压0.67V，亚阈值摆幅76mVdec-1。附图说明图1为实施例中制备的Al2O3薄膜的原子力显微镜表面形貌。图2为实施例中制备的Al2O3薄膜的漏电性能以及电容-频率特性。图3为实施例中制备的Al2O3薄膜的XRD衍射图。图4为Ga掺杂含量为20at.%，退火温度为350℃，退火时间为60min的GaSnO器件的电学特性：（a）转移特性曲线；（b）输出特性曲线。图5为Ga掺杂含量为10at.%，退火温度为350℃，退火时间为60min的GaSnO器件的电学特性：（a）转移特性曲线；（b）输出特性曲线。图6为Ga掺杂含量为20at.%，退火温度为300℃，退火时间为60min的GaSnO器件的电学特性：（a）转移特性曲线；（b）输出特性曲线。图7为本专利技术制备的GaSnO场效应器件结构示意图。具体实施方式下面通过实例进一步阐述本专利技术。实施例1，一种基于Al2O3介质层的GaSnO场效应器件的制备方法，具体步骤如下：（1）制备Al2O3前驱体溶液以乙二醇单甲醚为溶剂，将九水合硝酸铝Al(NO3)3·9H2O溶解于其中，经2h的时间搅拌后过滤形成澄清透明的溶液，其中Al3+的浓度为0.1Mol，所制备得到的溶液置于湿度低于10%RH的手套箱中静置48h；（2）制备沟道层前驱体溶液以乙二醇单甲醚为溶剂，将0.1Mol的二水合氯化亚锡SnCl2·2H2O室温溶解在其中，后加入20at.%Ga(NO3)3·xH2O，经2h的时间搅拌后形成澄清透明的溶液，搅拌温度为室温，所制备得到的溶液置于湿度低于10%RH的手套箱中静置48h；（3）TFT器件的制备将步骤（1）制备得到的Al2O3前驱体溶液旋转涂覆于清洗好的p型硅基片上，经热处理之后形成致密的Al2O3介质层，将步骤（2）制备得到的GaSnO前驱体溶液旋转涂覆于Al2O3介质层上，经热处理之后，形成致密的GaSnO本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Al2O3高k介质层的GaSnO薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：（1） 制备Al2O3前驱体溶液将九水合硝酸铝Al(NO3)3·9H2O溶解于乙二醇单甲醚中，经1h ‑ 5h的搅拌，过滤，形成澄清透明的溶液，其中，Al3+的浓度为0.1Mol ‑ 0.5Mol，所制备得到的溶液置于湿度低于10%RH的手套箱中静置24h ‑ 48h；（2）制备沟道层前驱体溶液将二水合氯化亚锡SnCl2·2H2O溶解在乙二醇单甲醚中，然后加入Ga(NO3)3·xH2O，其摩尔浓度比为Ga:Sn=0.1 ‑ 0.3，经1h ‑ 5h搅拌，形成澄清透明的溶液，搅拌温度为25℃ ‑ 60℃，总浓度为0.1Mol ‑ 0.3Mol；（3）制备GaSnO薄膜晶体管将步骤（1）制备的Al2O3前驱体溶液旋转涂覆于清洗好的p型硅基片上，经过热处理，形成致密的Al2O3介质层；将步骤（2）制备的GaSnO前驱体溶液旋转涂覆于Al2O3介质层上，经过热处理，形成致密的GaSnO沟道层，最后在沟道层表面沉积ITO或Al电极。

【技术特征摘要】
1.一种基于Al2O3高k介质层的GaSnO薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：（1）制备Al2O3前驱体溶液将九水合硝酸铝Al(NO3)3·9H2O溶解于乙二醇单甲醚中，经1h-5h的搅拌，过滤，形成澄清透明的溶液，其中，Al3+的浓度为0.1Mol-0.5Mol，所制备得到的溶液置于湿度低于10%RH的手套箱中静置24h-48h；（2）制备沟道层前驱体溶液将二水合氯化亚锡SnCl2·2H2O溶解在乙二醇单甲醚中，然后加入Ga(NO3)3·xH2O，其摩尔浓度比为Ga:Sn=0.1-0.3，经1h-5h搅拌，形成澄清透明的溶液，搅拌温度为25℃-60℃，总浓度为0.1Mol-0.3Mol；（3）制备GaSnO薄膜晶体管将步骤（1）制备的Al2O3前驱体溶液旋转涂覆于清洗好的p型硅基片上，经过热处理，形成致密的Al2O3介质层；将步骤（2）制备的GaSnO前驱体溶液旋转涂覆于Al2O3介质层上，经过热处理，形成致密的GaSnO沟道层，最后在沟道层表面沉积ITO或Al电极。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Al2O3前驱体溶液的旋转涂覆速度为30...

【专利技术属性】
技术研发人员：任锦华，张群，李喜峰，杨建文，林东，李凯文，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海,31