申请/专利权人：浙江大学

申请日：2018-06-26

公开（公告）日：2020-09-15

公开（公告）号：CN108987469B

主分类号：H01L29/24(20060101)

分类号：H01L29/24(20060101);H01L21/02(20060101);H01L29/786(20060101);H01L21/34(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.09.15#授权;2019.01.04#实质审查的生效;2018.12.11#公开

摘要：本发明公开了一种非晶ZnMgSnO薄膜与薄膜晶体管及其制备方法，所述的非晶ZnMgSnO薄膜中，Zn:Mg:Sn的原子比为9:x:4，其中x=0.2~0.8，薄膜为非晶结构，室温禁带宽度4.13~4.96eV。本发明还提供了非晶ZnMgSnO薄膜与薄膜晶体管的制备方法，采用溶液燃烧法制备，所制得的非晶ZnMgSnO薄膜晶体管，具有显著的场效应特性，开关态电流比在105量级。本发明提供的非晶ZnMgSnO薄膜和晶体管，采用溶液方法制备，不含有贵重稀有的In金属，具有工艺简单、成本低等优点，可在新型显示技术和印刷电子学中获得应用。

主权项：1.一种非晶ZnMgSnO薄膜的制备方法，采用溶液燃烧法制备，所述非晶ZnMgSnO薄膜中，Zn:Mg:Sn的原子比为9:x:4，其中x＝0.2～0.8，薄膜为非晶结构，室温禁带宽度4.13～4.96eV；其特征在于，包括步骤如下：1溶液配备，配备浓度为0.20molL的单个Zn、Sn和Mg前驱体溶液：Zn前驱体溶液，称量出0.1785g的ZnNO32·6H2O，将其溶解于3mL的2-甲氧基乙醇溶剂中，并加入120μL乙酰丙酮和69μL氨水；Mg前驱体溶液，称量出0.1026g的AlNO33·9H2O，将其溶解于2mL的2-甲氧基乙醇溶剂中，并加入80μL乙酰丙酮和46μL氨水；Sn前驱体溶液，称量出0.2369g的SnCl2·2H2O和0.0840g硝酸铵，将其溶解于5.25ml的2-甲氧基乙醇溶剂中，并加入210μL乙酰丙酮和60μL氨水；将上述Zn、Mg、Sn的前驱体溶液分别在室温下磁力搅拌12h，再将所得到的单个前驱体溶液分别静止陈化12h；2混合ZnMgSnO前驱体溶液将步骤1得到的单个前驱体溶液过滤后，将Zn前驱体溶液、Sn前驱体溶液和Mg前驱体溶液混合，再将混合溶液密封，超声清洗器超声处理2h，使得溶液均匀混合；最后将混合溶液静置陈化24h，即得到旋涂所需ZnMgSnO前驱体溶液；上述所述的Zn前驱体溶液、Sn前驱体溶液和Mg前驱体溶液混合的体积满足物质的量之比Zn:Mg:Sn＝9:x:4，其中x＝0.2、0.4、0.6、0.8；3非晶ZnMgSnO薄膜生长将n++-Si100nmSiO2衬底清洗并用高纯氮气吹干后，再对衬底表面进行进一步的氧等离子体处理，以去除表面的有机污染物，加强衬底与薄膜之间的附着力；采用旋涂法，4000rmin的转速和45s旋涂时间旋涂ZnMgSnO前驱体溶液，待停止旋转后，将旋涂好的样品放在预先加热至300℃的加热板上加热30min；将上述旋涂及加热步骤重复多次，所得ZnMgSnO薄膜厚度35～40nm范围。

全文数据：一种非晶ZnMgSnO薄膜与薄膜晶体管及其制备方法技术领域[0001]本发明涉及一种非晶氧化物半导体薄膜，尤其涉及一种非晶ZnMgSnO薄膜与薄膜晶体管及其制备方法。背景技术[0002]薄膜晶体管TFT是微电子特别是显示工程领域的核心技术之一。不论在目前先进显示市场中占绝对主导优势的有源矩阵液晶显示器AMIXD，还是代表未来柔性显示趋势的AM0LED有源矩阵有机发光二极管显示器），TFT器件均在其中的像素驱动单元中占据关键位置。此外，TFT器件还在生物传感、紫外探照等方面得到广泛研究与应用。因此，研制和发展TFT器件具有重要的意义。TFT最重要的组成部分是其沟道层材料，关于TFT的研宄也集中在沟道层材料的研发和选择上。[0003]目前，工业生产中TFT的沟道层材料主要是非晶硅a-Si和低温多晶硅LTPS，但是a-SiTFT迁移率较低〜2cmVVs，难以驱动大于90英寸的显示器，而基于多晶硅p-Si技术的TFT虽然迁移率高〜1〇〇cm2Vs，但是器件均匀性较差，电学性能不稳定，而且制作成本高，这限制了它的应用。同时，Si是一种间接带隙窄禁带半导体，在可见光区域是不透明的，像素开口率不能达到100%，为了获得足够的亮度需要增加光源光强，从而增加功率。并且Si基半导体材料沟道层光敏性强，需要加掩膜版，也严重影响了开口率。这些缺点制约了Si基TFT的发展。[0004]此外，有机半导体薄膜晶体管0TFT也有较多的研宄，但是0TFT的稳定性不高，迁移率也比较低〜1cm2VS，这对其实际应用是一个较大限制。[0005]为解决上述问题，人们近年来开始致力于非晶氧化物半导体AOSTFT的研究，其中最具代表性的是InGaZnO。一般的非晶材料由于传导过程为跳跃模式，迁移率不高，而InGaZnO中的In离子外电子壳层结构为4d1Q5sQ，S轨道电子云呈球形分布，并且半径足够大以至相互重叠，为半导体电子传输提供了通道，这使得该非晶氧化物半导体也具有较高的迀移率^与Si基TFT相比较，AOSTFT具有如下优点:可见光透明，光敏退化性小，不用加掩膜层，提高了开口率，可解决开口率低对高分辨率、超精细显示屏的限制；易于室温沉积，适用于有机柔性基板;迀移率较高，可实现高的开关电流比，较快的器件响应速度，应用于高驱动电流和高速器件;特性不均较小，电流的时间变化也较小，可抑制面板的显示不均现象，适于大面积化用途。[0006]除了InGaZnO外，人们研究较多的还包括ZnMSnO非晶氧化物半导体材料。在ZnMSnO体系中，Zn^II族元素，在A0S中含量最高，为材料基体元素，形成了A〇S的主体框架;Sn为IV族元素，Sn离子具有4d1Q5S°的球形电子结构，球形电子云有很大的半径，即便在非晶态下也可以重叠，从而^成载流子传输的通道;M为载流子抑制元素，人们己研发的包括A1、Ga、Hf、Si、Zr、Nb等，其离子均具有+3价或+3价以上的价态，与基体元素Zn相比，M元素与〇有更高的结合能，因而可在材14生长过程中引入更多的〇元素，从而减少〇含量，抑制〇空位，降低载流子浓度。因而，加入M元素，所起到的作用为载流子抑制剂，即减少载流子浓度，是单向的，无法实现可增可减的双向调控效果。基于此，本发明提供了一种新型的非晶ZnMgSnO薄膜，选择Mg作为M元素，Mg与基体元素Zn—样，为II族元素，Mg与Zn相互组合或配合，可以减少或增加载流子浓度，可起到双向调控的效果，是一种载流子控制剂，而不仅仅是抑制剂。这对于非晶氧化物半导体电学性能的有效调控具有重要意义。发明内容[0007]本发明的目的是针对现有技术的不足和实际需求，提供一种非晶ZnMgSnO薄膜与薄膜晶体管，并给出了其一种制备方法。基于此，本发明技术方案为如下。[0008]本发明提供了一种非晶ZnMgSnO薄膜，其中所述的非晶ZnMgSnO薄膜中，Zn:Mg:Sn的原子比为9^:4，\=0.2〜0.8，薄膜为非晶结构，室温禁带宽度4.13〜4.966¥。[0009]本发明还提供了上述非晶ZnMgSnO薄膜的制备方法，采用溶液燃烧法制备，具体步骤如下：1溶液配备，配备浓度为0.20molL的单个Zn、Sn和Mg前躯体溶液。[0010]Zn前驱体溶液，称量出0.1785g的ZnN〇32,6H20,将其溶解于3mL的2-甲氧基乙醇溶剂中，并加入120UL乙酰丙酮和69UL氨水；Mg前驱体溶液，称量出0.1026g的A1N〇33*91120,将其溶解于2mL的2-甲氧基乙醇溶剂中，并加入80yL乙酰丙酮和46yL氨水；311前驱体溶液，称量出0.23698的311：12*21120和0.084^硝酸铵，将其溶解于5.25ml的2-甲氧基乙醇溶剂中，并加入210yL乙酰丙酮和60yL氨水；将上述Zn、Mg、Sn的前驱体溶液分别放入磁子并密封，在室温下磁力搅拌12h，再将所得到的单个前驱体溶液分别静止陈化12h。[0011]2混合ZnMgSnO前驱体溶液将步骤1得到的单个前驱体溶液用微型过滤器过滤后，分别取3mL的Zn前躯体溶液、5.25mL的Sn前躯体溶液和一定量Mg前驱体溶液混合，再将混合溶液密封，超声清洗器超声处理2h，使得溶液均匀混合。最后将混合溶液静置陈化24h，即得到旋涂所需ZnMgSnO前驱体溶液。[0012]上述所述的一定量Mg前驱体溶液，其体积分别是67uL、133uL、201uL或267UL，从而得到混合溶液中物质的量之比211:1^:311=93:4，其中1=0.2、0.4、0.6、0.8。[0013]3非晶ZnMgSnO薄膜生长将n++-Si100nmSi〇2衬底清洗并用高纯氮气吹干后，再对衬底表面进行进一步的氧等离子体处理，以去处表面的有机污染物，加强衬底与薄膜之间的附着力。[0014]采用旋涂法制备薄膜，先将衬底牢固吸附，接着用量程100UL的移液枪将100uL的混合溶液均匀涂覆到衬底上，采用4000rmin的转速和45s旋涂时间进行旋涂，待停止旋转后，将旋涂好的样品放在预先加热至300°C的干净加热板上加热30min。将上述步骤重复4次，所得沟道层厚度约在35〜40nm范围。[0015]4非晶ZnMgSnOTFT制备采用1000MiX2〇0wn沟道尺寸的TFT掩模版，利用该掩膜板将步骤3旋涂好的片子遮掩好后，再采用电子束蒸发技术以约0.4nms的镀膜速度蒸镀一层厚度为100nm的A1电极，作为TFTs器件的源极和漏极。n++-Si衬底同时作为TFT的栅极，100nmSi〇2薄膜作为绝缘层。[0016]根据上述步骤制备所得的非晶ZnMgSnO薄膜晶体管，具有显著的场效应特性，开关态电流比在1〇5量级，场效应迀移率〜o.lcm2Vs，阈值电压〜0.5V。[0017]本发明的有益效果在于：_1在非晶ZnMgSnO薄膜中，Mg与基体元素Zn—样，同样为II族元素，Mg与Zn相互组合或配合，可以减少或增加载流子浓度，是一种载流子控制剂，可双向调控载流子浓度，从而实现非晶氧化物半导体电学性能的有效调控。[0018]2非晶ZnMgSnO薄膜，不含有稀有贵重的In元素，也不含有贵重金属Ga，可显著降低材料成本。[0019]3非晶ZnMgSnO薄膜，可采用溶液燃烧法制备，溶液中加入硝酸铵和硝酸盐，是一种典型的溶液燃烧法，可借助反应过程中的放热，有效降低外界的加热温度，不仅起到节能效果，而且还可适用于柔性基板，与印刷电子技术相兼容，可大幅度拓展其应用范围和领域。[0020]4非晶ZnMgSnO薄膜晶体管具有较好的器件性能，为人们提供了一种A0S材料的新选择。[0021]5本发明提供的非晶ZnMgSnO薄膜与薄膜晶体管的制备方法，原料易得，工艺简单，易于操作，生产成本低，可实现规模化生产。[0022]附图说明[0023]图1为各实施例生长的非晶ZnMgSnO薄膜的x射线衍射（XRD图。图中，ZMT0为ZnMgSnO的缩写，括号中的数字为x=0.2、0.4、0.6、0.8。[0024]图2为实施例生长的非晶ZnMgSnOZn:Mg:Sn的原子比为9:0.4:4薄膜的TEM图，a图为高分辨TEM，（b为选区电子衍射。[0025]图3为实施例制备的非晶ZnMgSnOZn:Mg:Sn的原子比为9:0•6:4薄膜晶体管输出特性曲线。具体实施方式[0026]以下结合附图及具体实施例进一步说明本发明。实施例[0027]1单个前驱体溶液配备配备浓度为0.20molL的单个Zn、Sn和Mg前躯体溶液。[0028]Zn前驱体溶液，称量出0.1785g的ZnN〇32•6_，将其溶解于3mL的2-甲氧基乙醇溶剂中，并加入120此乙酰丙酮和69UL氨水；Mg前驱体溶液，称量出0.1026g的A1N〇33.9H20,将其溶解于2mL的2-甲氧基乙醇溶剂中，并加入80uL乙酰丙酮和46UL氨水；Sn前驱体溶液，称量出0.2369g的SnCl2*21120和0.0840g硝酸铵，将其溶解于5.25ml的2_甲氧基乙醇溶剂中，并加入210UL乙酰丙酮和㈤UL氨水；将上述Zn、Mg、Sn的目ij驱体溶液分别放入磁子并密封，在室温下磁力搅拌12h，再将所得到的单个前躯体溶液分别静止陈化12h。'[0029]2形成ZnMgSnO前驱体溶液将步骤1得到的单个前驱体溶液用微型过滤器过滤后，分别取3mL的Zn前躯体溶液、5•25mL的Sn前躯体溶液和一定量Mg前驱体溶液混合，再将混合溶液密封，超声清洗器超声处理2h，使得溶液均匀混合。最后将混合溶液静置陈化以h，即得到旋涂所需ZnMgSnO前驱体溶液。[0030]上述所述的一定量Mg前驱体溶液，其体积分别是67uL、133uL、201uL、267uL，从而得到混合溶液中物质的量之比Zn:Mg:Sn=9:x:4,其中x=0.2、0.4、0.6、0.8。[0031]3生长非晶ZnMgSnO薄膜将n++-Si100nmSi〇2衬底清洗并用高纯氮气吹干后，再对衬底表面进行进一步的氧等离子体处理，以去处表面的有机污染物，加强衬底与薄膜之间的附着力。[0032]采用旋涂法制备薄膜，先将衬底牢固吸附，接着用量程100UL的移液枪将100UL的混合溶液均匀涂覆到衬底上，采用4000rmin的转速和45s旋涂时间进行旋涂，待停止旋转后，将旋涂好的样品放在预先加热至300°C的干净加热板上加热30min。将上述步骤重复4次，所得沟道层厚度约在35〜40nm范围。[0033]4制备非晶ZnMgSnOTFT设计采用1000WnX200wn沟道尺寸的TFT掩模版，利用该掩膜板将步骤3旋涂好的片子遮掩好后，再米用电子束蒸发技术以约0.4nms的镀膜速度蒸镀一层厚度为100nm的A1电极，作为TFTs器件的源极和漏极。n++-Si衬底同时作为TFT的栅极，100runSi02薄膜作为绝缘层。[0034]对生长得到的非晶ZnMgSnO薄膜进行结构、电学和光学性能测试。图1所示为非晶ZnMgSnOx=0.4薄膜的XRD谱，从图中看到，除了在23°位置由石英衬底造成的“馒头状”的衍射峰外，没有出现其它明显衍射峰位，因而ZnMgSnO薄膜为非晶态。图2所示为非晶ZnMgSnO薄膜的TEM图，由图a可以看到，薄膜内部没有明显的晶格结构，更没有原子团簇。由图0也可以看到，选区电子衍射得到了弥散的衍射环，由此可以进一步证实薄膜为非晶结构。光学测试表明其室温禁带宽度4.13〜4.96eV。[0035]对制备得到的非晶ZnMgSnO薄膜晶体管进行测试和表征。图3所示为非晶ZnMgSnOx=0.6薄膜晶体管输出特性曲线，具有显著的场效应特性，且曲线具有饱和性。对不同颳含量的非晶ZnMgSnO薄膜为沟道层制备的薄膜晶体管综合测试表明，场效应迁移率在0-1cm2Vs左右，开关态电流比在105量级，阈值电压约为0.5V左右。

权利要求：1.一种非晶ZnMgSnO薄膜，其特征在于，所述非晶ZnMgSnO薄膜中，Zn:Mg:Sn的原子比为9:x:4,其中x=〇.2〜0.8,薄膜为非晶结构，室温禁带宽度4.13〜4.96eV。2.根据权利要求1所述的非晶ZnMgSnO薄膜的制备方法，采用溶液燃烧法制备，其特征在于，包括步骤如下：1溶液配备，配备浓度为0.20molL的单个Zn、Sn和Mg前驱体溶液：Zn前驱体溶液，称量出0.1785g的ZnN〇32*6H2〇,将其溶解于3mL的2-甲氧基乙酉字溶剂中，并加入120yL乙酰丙酮和69yL氨水；Mg前驱体溶液，称量出0.1026g的A1N〇33*91120,将其溶解于2mL的2-甲氧基乙醇溶剂中，并加入80此乙酰丙酮和46此氨水；Sn前驱体溶液，称量出0.2369g的SnCl2-2H20和0.0840g硝酸铵，将其溶解于5.25ml的2-甲氧基乙醇溶剂中，并加入210uL乙酰丙酮和60yL氨水；将上述Zn、Mg、Sn的前驱体溶液分别在室温下磁力搅拌12h，再将所得到的单个前驱体溶液分别静止陈化12h;2混合ZnMgSnO前驱体溶液将步骤1得到的单个前驱体溶液用过滤后，将Zn前驱体溶液、Sn前躯体溶液和Mg前驱体溶液混合，再将混合溶液密封，超声清洗器超声处理2h，使得溶液均匀混合;最后将混合溶液静置陈化24h，即得到旋涂所需ZnMgSnO前驱体溶液；上述所述的Zn前驱体溶液、Sn前躯体溶液和Mg前驱体溶液混合的体积满足物质的量之比Zn:Mg:Sn=9:x:4，其中x二0.20.4^0.610.853非晶ZnMgSnO薄膜生长将n++-Si100rnnSi02衬底清洗并用高纯氮气吹干后，再对衬底表面进行进一步的氧等离子体处理，以去处表面的有机污染物，加强衬底与薄膜之间的附着力；采用旋涂法，4000rmin的转速和45s旋涂时间旋涂ZnMgSnO前驱体溶液，待停止旋转后，将旋涂好的样品放在预先加热至300°C的加热板上加热30min;将上述旋涂及加热步骤重复多次，所得ZnMgSnO薄膜厚度35〜40nm范围。3.根据权利要求2所述的制备方法制得的非晶ZnMgSnO薄膜的应用，其特征在于，以所述的非晶ZnMgSnO薄膜为沟道层，制作非晶ZnMgSnO薄膜晶体管；另外以所述的n++-Si100nmSi〇2衬底中100nmSi〇2薄膜作为绝缘层，n++-Si衬底同时作为栅极；以A1电极作为源极和漏极;所述非晶ZnMgSnO薄膜晶体管的开关态电流比在1〇5量级，场效应迁移率〜0.1cm2Vs，阈值电压〜0.5V。

百度查询： 浙江大学 一种非晶ZnMgSnO薄膜与薄膜晶体管及其制备方法

免责声明
1、本报告根据公开、合法渠道获得相关数据和信息，力求客观、公正，但并不保证数据的最终完整性和准确性。
2、报告中的分析和结论仅反映本公司于发布本报告当日的职业理解，仅供参考使用，不能作为本公司承担任何法律责任的依据或者凭证。

阅读全文 双屏查看 官方信息 专利公告 收藏专利 下载PDF 下载WORD