一种二维非晶氧化物半导体与薄膜晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种二维非晶氧化物半导体与薄膜晶体管及其制备方法，所述的二维非晶氧化物半导体厚度为1.0~3.1 nm，室温禁带宽度3.86~5.12 eV，具有明显的量子约束效应，同时表现出二维特性和非晶态结构。在二维非晶氧化物半导体中，金属元素满足其离子具有(n‑1)d

A two-dimensional amorphous oxide semiconductor and thin film transistor and its preparation method

The invention discloses a two-dimensional amorphous oxide semiconductor and a thin film transistor and a preparation method thereof. The two-dimensional amorphous oxide semiconductor has a thickness of 1.0 ~ 3.1 nm, a room temperature band gap width of 3.86 ~ 5.12 EV, obvious quantum confinement effect, and two-dimensional characteristics and amorphous structure. In two-dimensional amorphous oxide semiconductors, metal elements satisfy the requirement that their ions have (n \u2011 1) d

【技术实现步骤摘要】
一种二维非晶氧化物半导体与薄膜晶体管及其制备方法
本专利技术涉及非晶氧化物半导体与薄膜晶体管，特别是涉及一种二维非晶氧化物半导体与薄膜晶体管及其制备方法。
技术介绍
低维材料通常包括零维（0D），一维（1D）和二维（2D）材料。在过去的几十年中，低维材料吸引了越来越多的学术研究和工业生产兴趣。随着材料从块体转变为低维状态，考虑到低维材料具有较大的比表面积和量子限制效应，可以预期其性能有明显的变化。近年来，低维材料，特别是具有独特物理和化学性质的二维材料，一直是一个重要的研究课题。众所周知，石墨烯的发现引起了人们对二维材料探索的极大兴趣。尽管石墨烯表现出优异的电学，机械，热学和光学性质，但由于其零带隙和电导率太高而不适合制造场效应晶体管（FET）。在这些方面，已经开发了替代的二维材料用于制备场效应晶体管，包括过渡金属硫族化合物，过渡金属氧化物和其他氧化物半导体。由二维过渡金属硫化物或硒化物（例如MoS2，WS2，MoSe2和WSe2）制成的FET显示出良好的开关特性和高迁移率。二维材料在制造下一代电子和光电子器件方面备受关注。然而，由于这些二维材料和器件的超小尺寸（仅约几微米）和不可控制的形状，这些二维材料和器件的制造工艺非常复杂。因而，二维材料很难在大规模生产中进行复杂的微纳米制造。在过去的十年中，非晶氧化物半导体（AOS）因其在下一代显示器，生物传感器，光电晶体管和透明电子器件中的潜力而备受关注。众所周知，相比晶体半导体，非晶半导体在低工艺温度下容易实现具有优异均匀性的大面积薄膜。在AOS中，首次发现的是铟镓锌氧（InGaZnO），这是Nomura等人报道的。在以下两个系列的非晶氧化物半导体中，InMZnO和ZnMSnO（M=Al，Ga，Zr，Hf，Si，Nb，Ti，Mg），已经被生产和广泛研究。由于In3+和Sn4+具有（n-1）d10ns0（n≥4，这里n是主量子数）的特殊电子构型，这种电子构型可以建立非晶态载流子传输路，AOS薄膜晶体管（TFT）可以获得高于10cm2/Vs的场效应迁移率。具有这些优异性能的非晶氧化物半导体与传统的二维材料相比具有明显的优势，尤其是在批量生产中。值得指出的是，目前报道的所有2D材料都是晶体材料，到目前为止还没有关于2D非晶材料的报道。同时，AOS材料的研究从未达到过二维极限。因而，二维非晶氧化物半导体可以结合传统非晶氧化物半导体与传统二维材料的优点，解决现有二维材料尺寸小，制备工艺复杂、成本高、不易加工、难以与微电子工艺兼容的科技难题，是一个非常具有潜力的发展方向。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足和实际应用需求，提供一种二维非晶氧化物半导体薄膜及其薄膜晶体管，并给出一种有效的制备方法。本专利技术提供了一种二维非晶氧化物半导体，所述的二维非晶氧化物半导体厚度0.7~6.2nm，优选为0.7~3.1nm；室温下禁带宽度在3.86~5.12eV之间，且具有明显的量子约束效应，为二维材料，具有非晶态结构。进一步地，所述二维非晶氧化物半导体为含有两种或两种以上的金属元素以及氧元素，所含有的金属元素，其离子均具有(n-1)d10ns0（n为主量子数，且n≥4）的电子结构和球形电子云形状。优选地，所述的二维非晶氧化物半导体含有两种金属元素，所述金属元素为Zn、In、Sn或Cu中的任两种。进一步地，非晶氧化物半导体ZnSnO。所述的二维非晶氧化物半导体，含有两种以上金属元素，所述金属元素选自Zn、Ga、Ge、In、Sn或Cu中的不同元素。进一步地，非晶氧化物半导体为ZnGeSnO或ZnGeSnInO。以上述二维非晶氧化物半导体为沟道层，制备薄膜晶体管，至少包括衬底、栅极、源极、漏极、栅极绝缘层和沟道层，其中衬底优选为硅衬底，栅极绝缘层优选为SiO2薄膜。进一步地，薄膜晶体管的制备方法，主要制备步骤为：1）如二维ZnSnO非晶薄膜，采用脉冲激光沉积（PLD）方法，以高纯（99.99%）ZnSnO陶瓷片为靶材，其中Zn:Sn的原子比为1:0.5；以重掺n型Si为衬底，在其上预先沉积100nm的SiO2层，然后将其放入PLD腔室，生长ZnSnO薄膜。以高纯O2为工作气体，气体压强5Pa；以KrF准分子激光熔蒸靶材，在衬底上沉积，激光器参数为248nm、200mJ、5Hz；生长时间为5~25s，通过调节生长时间来控制脉冲数量和薄膜沉积时间，室温生长所需厚度的二维ZnSnO非晶薄膜。生长结束后，二维ZnSnO非晶薄膜在空气中400℃下退火10min，以提高薄膜质量。2）如二维ZnGeSnO非晶薄膜，采用脉冲激光沉积（PLD）方法制备二维ZnGeSnO非晶薄膜，以高纯（99.99%）ZnGeSnO陶瓷片为靶材，其中Zn:Ge:Sn的原子比为1:0.05:1；以重掺n型Si为衬底，在其上预先沉积100nm的SiO2层，然后将其放入PLD腔室，生长ZnGeSnO薄膜。以高纯O2为工作气体，气体压强8Pa；以KrF准分子激光熔蒸靶材，在衬底上沉积，激光器参数为248nm、200mJ、5Hz；生长时间分别为20~50s，通过调节生长时间来控制脉冲数量和薄膜沉积时间，室温生长所需厚度的二维ZnGeSnO非晶薄膜。生长结束后，二维ZnGeSnO非晶薄膜在空气中400℃下退火10min，以提高薄膜质量。3）如二维ZnGeSnInO非晶薄膜，采用分子束外延（MBE）方法制备二维ZnGeSnInO非晶薄膜，以高纯（99.99%）ZnGeSnInO为源材料，其中Zn:Ge:Sn:In的原子比为1:0.05:0.5:0.5；以重掺n型Si为衬底，在其上预先沉积100nm的SiO2层，然后将其放入MBE腔室，生长ZnGeSnInO薄膜。以高纯O2为工作气体，气体压强1Pa；以高能激光熔蒸靶材，在衬底上沉积，生长时间分别为5~60s，通过调节生长时间、脉冲数量、束流参数，室温生长所需厚度的二维ZnGeSnInO非晶薄膜。生长结束后，二维ZnGeSnInO非晶薄膜在空气中400℃下退火10min，以提高薄膜质量。4）以上述二维ZnSnO或二维ZnGeSnO或ZnGeSnInO薄膜为沟道层，利用掩模版，在沟道层薄膜上用电子束蒸发技术沉积一层100nm的Al金属薄膜，作为薄膜晶体管的源极和漏极，定义TFT沟道层的宽度和长度分别为1000μm和100μm，同时，重掺Si衬底作为栅极，100nm的SiO2为栅极绝缘层，便制备得到了相应的二维ZnSnO或二维ZnGeSnO或ZnGeSnInO薄膜晶体管。所制备的二维非晶氧化物半导体薄膜其厚度可精确控制，且可实现大面积均匀沉积，在10mm×10mm的尺寸范围内厚度不均匀性低于5%，可见光透过率达到99%；所制备的二维非晶氧化物半导体薄膜晶体管，开关电流比大于106，场效应迁移率达到100cm2/Vs。值得指出的是，本专利技术所述的二维非晶氧化物半导体与薄膜晶体管，是在上述工艺技术参数下获得的，上述各工艺技术参数均是专利技术人经过创造性劳动获得的，需要精确调节和控制，超过上述工艺技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维非晶氧化物半导体，其特征在于，所述的二维非晶氧化物半导体的厚度0.7~3.1 nm，室温下禁带宽度在3.86~5.12 eV之间，且具有量子约束效应，为二维材料，具有非晶态结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种二维非晶氧化物半导体，其特征在于，所述的二维非晶氧化物半导体的厚度0.7~3.1nm，室温下禁带宽度在3.86~5.12eV之间，且具有量子约束效应，为二维材料，具有非晶态结构。


2.根据权利要求1所述的一种二维非晶氧化物半导体，其特征在于，所述的非晶氧化物半导体含有两种或两种以上的金属元素以及氧元素，所述金属元素的金属离子均具有(n-1)d10ns0，的电子结构和球形电子云形状，其中n≥4。


3.根据权利要求2所述的一种二维非晶氧化物半导体，其特征在于，所述的二维非晶氧化物半导体含有两种金属元素，所述金属元素为Zn、In、Sn或Cu中的任两种。


4.根据权利要求2所述的一种二维非晶氧化物半导体，其特征在于，所述的二维非晶氧化物半导体含有两种以上金属元素，所述金属元素选自Zn、Ga、Ge、In、Sn或Cu中的不同元素。


5.根据权利要求3所述的一种二维非晶氧化物半导体，所述的非晶氧化物半导体为ZnSnO。


6.根据权利要求4所述的一种二维非晶氧化物半导体，所述的非晶氧化物半导体为ZnGeSnO或ZnGeSnInO。


7.一种薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述薄膜晶体管以权利要求5所述的非晶氧化物半导体ZnSnO为沟道层，包括如下步骤：
1）二维ZnSnO非晶薄膜的制备：采用脉冲激光沉积方法，以ZnSnO陶瓷片为靶材，其中Zn:Sn的原子比为1:0.5；以表面沉积有100nm的SiO2层的重掺n型Si为衬底，；以高纯O2为工作气体，气体压强5Pa；以KrF准分子激光熔蒸靶材，激光器参数为248nm、200mJ、5Hz；生长时间为5~25s，通过调节生长时间来控制脉冲数量和薄膜沉积时间，室温生长二维ZnSnO非晶薄膜；生长结束后，在空气中400℃下退火10min；制得所述的非晶氧化物半导体ZnSnO；
2）以非晶氧化物半导体ZnSnO为沟道层，利用掩模版，在沟道层上沉积一层100nm的Al金属薄膜，作为薄膜晶体管的源极和漏极，定义沟道层的宽度和长度分别为1000μm和100μm，同时，以衬底中所述重掺n型Si作为栅极，以衬底中所述100nm的SiO2层为栅极绝缘层，制得相应的二...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕建国，岳士录，陆波静，叶志镇，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33