双层金属氧化物半导体异质结薄膜晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术属于本发明专利技术属于半导体技术领域，特别涉及薄膜晶体管技术。本发明专利技术要求保护一种全水溶液法双层金属氧化物半导体异质结薄膜晶体管及制备方法。该薄膜晶体管包括：绝缘衬底，栅电极，栅极绝缘层，双层金属氧化物半导体异质结，源电极，漏电极。其中，绝缘衬底位于有机薄膜晶体管的最底层，栅电极，栅极绝缘层，双层金属氧化物半导体异质结，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地位于双层金属氧化物半导体异质结之上。本发明专利技术的栅极绝缘层和双层金属氧化物半导体异质结有源层采用简单的无机水溶液法制备，整个工艺温度控制在300℃以内。本发明专利技术可提高水溶液法制备的TFT及后续器件的电学性能，且制备工艺简单，生产成本低廉。

Double-Layer Metal Oxide Semiconductor Heterojunction Thin Film Transistor and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
双层金属氧化物半导体异质结薄膜晶体管及其制备方法
本专利技术属于微电子
，具体涉及一种电子器件，特别涉及一种全水溶液法双层金属氧化物半导体异质结薄膜晶体管及制备方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术薄膜晶体管的不足，提供一种低电压高性能的双层金属氧化物半导体异质结薄膜晶体，并提供了安全环保，工艺简单的水溶液法制备该双层金属氧化物半导体异质结薄膜晶体管的方法。本专利技术的第一方面提供了金属氧化物半导体异质结薄膜晶体，其包括：绝缘衬底、栅电极、栅极绝缘层、双层金属氧化物半导体异质结、源电极、漏电极，其中，所述绝缘衬底位于金属氧化物半导体异质结薄膜晶体的最底层，所述栅电极、栅极绝缘层、双层金属氧化物半导体异质结自下而上依次叠覆于所述绝缘衬底之上，源电极和漏电极分别位于双层金属氧化物半导体异质结之上且位于薄膜晶体管的最顶层。本专利技术中，所述双层金属氧化物半导体异质结包括第一层金属氧化物半导体层和第二层金属氧化物半导体层。所述双层金属氧化物半导体异质结均为水溶液制备。且第一层金属氧化物半导体层和第二层金属氧化物半导体层选自In2O3金属氧化物半导体层或碱金属参杂ZnO金属氧化物半导体层，且第一层金属氧化物半导体层与第二层金属氧化物半导体层不相同，第一层金属氧化物半导体层与第二层金属氧化物半导体层共同构成了双层金属氧化物半导体异质结。本专利技术优选的技术方案中，所述绝缘衬底选自玻璃薄膜或聚酰亚胺薄膜，耐高温300℃以上。本专利技术优选的技术方案中，所述栅电极材料、源电极和漏电极的材料分别选自氮化钛，氧化铟锡，氧化锌铝，氧化铟锌，金，银，铜或铝中的一种或两种以上的组合。本专利技术优选的技术方案中，所述栅极绝缘层为氧化镓，氧化铪，氧化铝或氧化钪绝缘层，优选为旋涂法制备。所述源电极和漏电极不直接连接。本专利技术第二方面提供双层金属氧化物半导体异质结薄膜晶体管的制备方法，具体步骤为：(a)在绝缘衬底的上表面上形成栅电极；(b)配制栅极绝缘层前驱体水溶液，然后用旋涂法在栅电极上覆盖形成栅极绝缘层；(c)配制半导体层前驱体水溶液，半导体层前驱体水溶液包括In2O3前驱体源和碱金属参杂ZnO前驱体源；然后用旋涂法在栅极绝缘层上形成第一层金属氧化物半导体层；(d)采用旋涂法在所述第一层金属氧化物半导体层上形成第二层金属氧化物半导体层；(e)在所述第二层金属氧化物半导体层上分别形成源电极和漏电极。本专利技术优选的技术方案中，步骤(a)中,采用喷墨印刷，光刻，丝网印刷，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。本专利技术优选的技术方案中，步骤(b)中旋涂法为：先将栅电极与绝缘衬底进行表面清水处理，再以1000-6000RPM旋涂栅极绝缘层前驱体水溶液，最后经退火制得栅极绝缘层。本专利技术优选的技术方案中，步骤(b)中旋涂法为：先将栅电极与绝缘衬底进行0.1-1小时的DUV(深紫外光),UV/Ozone(紫外臭氧)，Oxygenplasma(氧等离子)，或Airplasma(空气等离子)的表面清水处理，再以1000-6000RPM旋涂栅极绝缘层前驱体水溶液，最后然后经10分钟-1小时的DUV，UV/Ozone，或空气退火制得栅极绝缘层。本专利技术优选的技术方案中，所述栅极绝缘层前驱体水溶液中选自硝酸镓、氧化铪、硝酸铝或硝酸钪的水溶液，最终形成氧化镓、氧化铪、氧化铝或氧化钪的栅极绝缘层。栅极绝缘层为旋涂法制备的氧化镓，氧化铪，氧化铝，或氧化钪绝缘层。本专利技术中，步骤(c)中旋涂法制备为：以1000-6000RPM旋涂In2O3前驱体源或碱金属参杂ZnO前驱体源，然后经退火制得第一层金属氧化物半导体层。本专利技术中，步骤(d)中旋涂法制备为：以1000-6000RPM旋涂与步骤(c)所述不同的In2O3前驱体源或碱金属参杂ZnO前驱体源；若步骤(c)中旋涂前驱体源为In2O3前驱体源，则旋涂碱金属参杂ZnO前驱体源；若步骤(c)中旋涂前驱体源为碱金属参杂ZnO前驱体源，则旋涂In2O3前驱体源；然后经退火制得第二层金属氧化物半导体层。所述退火处理为10分钟-1小时的DUV，UV/Ozone或空气退火。半导体层前驱体水溶液包括In2O3前驱体源和碱金属参杂ZnO前驱体源。本专利技术中，所述In2O3前驱体源为0.05-3摩尔浓度的硝酸铟水溶液。所述In2O3前驱体源由以下步骤制备：将0.05-3摩尔浓度的硝酸铟溶于去离子水中，再进行0.5-24小时磁力搅拌或超声处理形成硝酸镓水溶液，然后过滤待用。本专利技术中，所述碱金属参杂ZnO前驱体源为0.1-20％摩尔比的碱金属/氧化锌络合物的氨水溶液，其氧化锌络合物的氨水溶液浓度为0.05-3摩尔浓度，所述碱金属选自锂,钠,钾,铷,铯,钫中的一种。本专利技术中，所述碱金属参杂ZnO前驱体源由以下步骤制备：将0.05-1摩尔浓度的氧化锌纳米粉末溶于10-40％浓度的氨水中，再将0.1-20％摩尔比的氢氧化锂，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0.5-24小时的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。本专利技术优选的技术方案中，步骤(e)中，所述栅电极、源电极、漏电极通过磁控溅射，热蒸度或电子束蒸镀方法，在室温下生长获得。本专利技术制备方法的所有步骤中，工艺的最高温度不超过300℃。本专利技术中，栅极绝缘层前驱体水溶液的制备方法，包括：硝酸镓水溶液由以下方法制备：将0.05-3摩尔浓度的硝酸镓溶于去离子水中，再进行0.5-24小时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；所述氯化铪水溶液由以下方法制备：将0.05-3摩尔浓度的氯化铪溶于去离子水中，再进行0.5-24小时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；所述硝酸铝水溶液由以下方法制备：将0.05-3摩尔浓度的硝酸铝溶于去离子水中，再进行0.5-24小时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；所述硝酸钪水溶液由以下方法制备：将0.05-3摩尔浓度的硝酸钪溶于去离子水中，再进行0.5-24小时的磁力搅拌或超声处理形成特定浓度的硝酸钪水溶液，然后过滤待用。本专利技术所提出的水溶液法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.双层金属氧化物半导体异质结薄膜晶体管，其特征在于，其包括：绝缘衬底、栅电极、栅极绝缘层、双层金属氧化物半导体异质结、源电极、漏电极，其中，所述绝缘衬底位于金属氧化物半导体异质结薄膜晶体的最底层，所述栅电极、栅极绝缘层、双层金属氧化物半导体异质结自下而上依次叠覆于所述绝缘衬底之上，源电极和漏电极分别位于双层金属氧化物半导体异质结之上且位于薄膜晶体管的最顶层。

【技术特征摘要】
1.双层金属氧化物半导体异质结薄膜晶体管，其特征在于，其包括：绝缘衬底、栅电极、栅极绝缘层、双层金属氧化物半导体异质结、源电极、漏电极，其中，所述绝缘衬底位于金属氧化物半导体异质结薄膜晶体的最底层，所述栅电极、栅极绝缘层、双层金属氧化物半导体异质结自下而上依次叠覆于所述绝缘衬底之上，源电极和漏电极分别位于双层金属氧化物半导体异质结之上且位于薄膜晶体管的最顶层。2.根据权利要求1所述的双层金属氧化物半导体异质结薄膜晶体管，其特征在于，所述双层金属氧化物半导体异质结包括第一层金属氧化物半导体层和第二层金属氧化物半导体层，且第一层金属氧化物半导体层和第二层金属氧化物半导体层选自In2O3金属氧化物半导体层或碱金属参杂ZnO金属氧化物半导体层，且所述第一层和第二层不相同。3.根据权利要求1所述的双层金属氧化物半导体异质结薄膜晶体管，其特征在于，所述绝缘衬底为玻璃薄膜或聚酰亚胺薄膜。4.根据权利要求1所述的双层金属氧化物半导体异质结薄膜晶体管，其特征在于，所述栅电极材料、源电极和漏电极的材料分别选自氮化钛，氧化铟锡，氧化锌铝，氧化铟锌，金，银，铜或铝中的一种或两种以上的组合。5.根据权利要求1所述的双层金属氧化物半导体异质结薄膜晶体管，其特征在于，所述栅极绝缘层为氧化镓，氧化铪，氧化铝或氧化钪绝缘层。6.如权利要求1-5任一项所述双层金属氧化物半导体异质结薄膜晶体管的制备方法，具体步骤为：(a)在绝缘衬底的上表面上形成栅电极；(b)配制栅极绝缘层前驱体水溶液，然后用旋涂法在栅电极上覆盖形成栅极绝缘层；(...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘启晗，赵春，赵策洲，杨莉，王琦男，
申请(专利权)人：西交利物浦大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32