專利名稱：一種金屬氧化物薄膜場效應晶體管有源層的制備方法
技術領域：
本發明涉及電子材料技術領域，尤其涉及一種采用靜電紡絲制備金屬氧化物薄膜場效應晶體管有源層的方法。
背景技術：
隨著信息時代的到來，顯示器正加速向平板化、節能化的方向發展，其中以薄膜晶體管(TFT)為開關的有源陣列矩陣驅動顯示器成為眾多平板顯示技術中的佼佼者。金屬氧化物半導體TFT具有低溫生長、高遷移率、大的電流開關比的優點。同時又能提高顯示器的響應速度，滿足高清晰、大容量終端顯示的要求，具有取代Si基器件成為下一代薄膜晶體管技術的可能，有很大的應用前景。目前，用于制備金屬氧化物薄膜晶體管有緣層的方法主要有真空沉積，溶液旋涂和噴墨印刷方法。真空沉積需要較嚴格真空設備，操作復雜，而且生產成本高，不利于工業化生產。旋涂成膜容易出現針孔現象，膜不連續，對器件性能產生很大的影響。而噴墨印刷存在著對墨水的粘度、表面張力等物理化學性質要求極為苛刻，同時印刷設備本身的成本高的缺陷。因此，開發一種低成本，同時能更好地改善有緣層薄膜質量的制備方法來獲得高性能的金屬氧化物晶體管顯得尤為迫切。
發明內容
為解決上述問題，本發明提供一種金屬氧化物薄膜場效應晶體管有源層的制備方法，其步驟包括 A :將粘合劑、有機溶劑和含有鋅、銦、鎵或錫中至少一種元素的金屬鹽混合形成的前驅體，利用靜電紡絲技術將所述前驅體噴射至接收板上，從而形成復合納米纖維膜；B:將步驟A所獲得的復合納米纖維膜在400 800°C煅燒2 4h，從而獲得金屬氧化物薄膜場效應晶體管的有源層。其中，所述金屬鹽與所述粘合劑的質量比為f 15:1飛。其中，所述金屬鹽為醋酸鋅、硝酸銦、硝酸鎵、硝酸錫或亞硝酸錫中至少一種；所述粘合劑為聚乙烯吡咯烷酮。為了讓金屬鹽及粘合劑充分混合均勻，步驟A中所述前驅體溶液的制備步驟為將所述金屬鹽、粘合劑在所述有機溶劑中混合，攪拌I 4h。其中，所述有機溶劑為氯仿、乙醇、丙酮、二氯甲烷或甲苯中的一種。其中，所述粘合劑為聚乙烯基吡咯烷酮，聚乙烯醇，聚乙烯，聚(丁二烯-苯乙烯)，聚酰胺，聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一種。其中，所述電紡絲法，是在10 100KV電壓下將所述組合物噴射到接收板上。進一步地，所述電紡絲法的工作設備包括噴絲管，所述噴絲管的管頭內徑為
O.5 5mm ;所述噴絲管到所述接收板的距離為5 15cm。進一步地，本發明方法適合多種結構的金屬氧化物薄膜場效應晶體管的制作，具體為底柵-頂接觸、底柵-底接觸、頂柵-底接觸、頂柵-頂接觸的結構中的一種。其中，所述金屬氧化物薄膜場效應晶體管還包括源極和漏極，所述源極和漏極的制作方法是氣溶膠印刷法、噴 墨印刷法、磁控濺射、光刻、真空蒸鍍沉積之一。其中，所述源極和漏極的材質是金、銀、銅或PED0T:PSS聚合物材料中的一種。有益效果本發明提供了一種金屬氧化物薄膜場效應晶體管其有源層的制作方法。通過電紡絲技術實現低成本、大規模的納米尺度、高性能場效應晶體管的制作。同時，該制備方法要求的環境很寬松，不需要在手套箱等無水無氧環境下實施，簡化了工藝，且制得的有機電子器件具有很強的抗水氧能力，很好地簡化了有源層的制作方法，同時改善了有源層的性能，獲得高性能的場效應晶體管。
圖I為本發明實施例I底柵-頂接觸型的金屬氧化物薄膜場效應晶體管的結構示意圖。圖2為本發明實施例I有源層的制作流程圖。圖3為本發明實施例I有源層的形貌示意圖。圖4為本發明實施例2頂柵-頂接觸型的金屬氧化物薄膜場效應晶體管的結構示意圖。圖5為本發明實施例3頂柵-底接觸型的金屬氧化物薄膜場效應晶體管的結構示意圖。圖6為本發明實施例4底柵-底接觸型的金屬氧化物薄膜場效應晶體管的結構示意圖。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明具體實施例進行詳細敘述。
實施例I本實施例以底柵-頂接觸型的金屬氧化物薄膜場效應晶體管為例。如圖I所示，這種金屬氧化物薄膜場效應晶體管從下至上依次為襯底I、柵電極2、絕緣層3、有源層5、源極4a和漏極4b。其中，有源層5的制備方法如下本實施例中采用醋酸鋅為原材料。結合圖2中的步驟SlOl至S103，本實施例有源層的制作流程在常溫(約20° C)下，首先，將I. 5g醋酸鋅溶解在IOml乙醇溶劑中，再往該溶液中加入O. 5g聚乙烯吡咯烷酮繼續攪拌Ih從而獲得醋酸鋅的前驅體。然后將上述獲得的前驅溶液置于靜電紡絲設備的噴絲管中，其中，噴絲管的管頭內徑為O. 5mm ;同時將待沉積有源層5的絕緣層3表面作為接受板接地 ，噴絲管到接受板的距離為5cm。在IOKV電壓下通過靜電紡絲的噴絲管，將所述前驅體噴 射到接受板(即絕緣層3)表面上。在20° C-150° C下用紅外燈進行加熱，待乙醇揮發，形成復合納米纖維膜。然后將所獲得的復合納米纖維膜置于馬弗爐中在空氣氛圍中經400° C煅燒4h，前驅體中的醋酸鋅受熱氧化，從而獲得ZnO納米纖維膜如圖3所示，即可作為有源層5制作在氧化鋅薄膜場效應晶體管上。進一步地，本實施例的襯底I為玻璃，然后依次在襯底I上制作柵電極2、絕緣層3和有源層5、源極4a和漏極4b。其中源極4a和漏極4b的制作材料為銀,通過噴墨印刷的方法制作，可形成底柵-頂接觸型的ZnO基薄膜場效應晶體管。實施例2本實施例制作頂柵-頂接觸型的金屬氧化物薄膜場效應晶體管，如圖4所示。本實施例的金屬氧化物薄膜場效應晶體結構為從下至上依次為襯底I、有源層5、源極4a和漏極4b、絕緣層3、柵電極2。其中，有源層5的制備方法如下本實施例中采用醋酸鋅和硝酸錫的混合物為原材料。結合圖2中的步驟SlOl至S103，本實施例有源層的制作流程在常溫(約20° C)下，首先，將0.4g醋酸鋅和0.43g硝酸錫溶解在IOml氯仿溶劑中，再往該溶液中加入O. 83g聚乙烯醇繼續攪拌2h從而獲得醋酸鋅和硝酸錫的前驅體。然后將上述獲得的前驅體置于靜電紡絲設備的噴絲管中，其中，噴絲管的管頭內徑為O. 5mm ;同時將待沉積有源層5的表面作為接受板接地，噴絲管到接受板的距離為10cm。在15KV電壓下通過電紡絲的噴絲管，將所述混合體系噴射到接受板(即襯 底I)表面上。在20° C-150° C下用紅外燈進行加熱，待溶劑揮發，形成復合納米纖維膜。然后將所獲得的復合納米纖維膜置于馬弗爐中在空氣氛圍中經800° C煅燒2h從而獲得ZnSnO復合納米纖維膜，即可作為有源層5制作ZnSnO基薄膜場效應晶體管上。進一步地，本實施例的襯底I為陶瓷，源極4a和漏極4b的制作材料為銀，通過噴墨印刷的方法制作在所述有源層5上方。然后依次在源極4a、漏極4b及其之間的有源層5上制作絕緣層3、柵電極2，形成頂柵-頂接觸型的ZnSnO基場效應晶體管。實施例3本實施例制作頂柵-底接觸型的金屬氧化物薄膜場效應晶體管，如圖5所示。本實施例的金屬氧化物薄膜場效應晶體管結構為從下至上依次為襯底I、源極4a和漏極4b、有源層5、絕緣層3、柵電極2。本實施例中采用硝酸銦為原材料。結合圖2中的步驟SlOl至S103，本實施例有源層的制作流程在常溫(約20° C)下，首先，將O. 08g硝酸銦溶解在IOml丙酮溶劑中，再往該溶液中加入O. 08g聚丙烯腈繼續攪拌2h從而獲得In2O3的前驅體。然后將上述獲得的前驅體置于靜電紡絲設備的噴絲管中。其中，噴絲管的管頭內徑為O. 5mm ;同時將待沉積有源層5的表面作為接受板接地，噴絲管到接受板的距離為15cm。在20KV電壓下通過電紡絲的噴絲管，將所述前驅體噴射到接受板(即源極4a、漏極4b及兩者之間的襯底I)表面上。在20° C-150° C下用紅外燈進行加熱，待溶劑揮發，形成復合納米纖維膜。然后將所獲得的復合納米纖維膜置于馬弗爐中在空氣氛圍中經500° C煅燒3h從而獲得In2O3復合納米纖維膜，即可作為有源層5制作In2O3基薄膜場效應晶體管上。進一步地，本實施例的襯底I為硅，源極4a和漏極4b的制作材料為銅，通過磁控噴射工藝制作在所述襯底I上方。然后依次在源級、漏極4b及其之間的襯底I上制作有源層5、絕緣層3、柵電極2，形成頂柵-底接觸型的In2O3基場效應晶體管。實施例4本實施例制作底柵-頂接觸型的金屬氧化物場效應晶體管，如圖6所示。本實施例的金屬氧化物場效應晶體結構為從下至上依次為襯底I、柵電極2、絕緣層3、有源層5、源極4a和漏極4b。本實施例中采用硝酸鎵為原材料。結合圖2中的步驟SlOl至S103，本實施例有源層的制作流程在常溫(約20° C)下，首先，將I. 56g硝酸鎵溶解在IOml 二氯甲烷溶劑中，再往該溶液中加入O. 78g聚甲基丙烯酸甲酯中繼續攪拌3h從而獲得Ga2O3的前驅體。然后將上述獲得的前驅體置于靜電紡絲設備的噴絲管中。其中，噴絲管的管頭內徑為
O.5mm ;同時將待沉積有源層5的表面作為接受板接地，噴絲管到接受板的距離為15cm。在20KV電壓下通過電紡絲的噴絲管，將所述混合體系噴射到接受板(即絕緣層3)表面上。在20° C-150° C下用紅外燈進行加熱，待溶劑揮發，形成復合納米纖維膜。然后將所獲得的復合納米纖維膜置于馬弗爐中在空氣氛圍中經600° C煅燒I. 5h從而獲得Ga2O3復合納米纖維膜，即可作為有源層5制作Ga2O3基薄膜場效應晶體管上。進一步地，本實施例襯底I為塑料，在塑料襯底I上依次制作柵電極2、絕緣層3、源極4a和漏極4b、以及有源層5。其中源極4a和漏極4b的制作材料為PEDOT:PSS聚合物，通過光刻工藝制作在所述有源層5上方，形成底柵-頂接觸型的Ga2O3薄膜場效應晶體管。在其他實施例中，控制所述金屬鹽與粘合劑的質量比在f 15:廣5的范圍內。配制 前驅體的攪拌時間需要廣4小時；所述靜電紡絲法工作電壓控制在10 100KV，其噴絲管的管頭內徑為O. 5 5mm ;噴絲管到所述接收板的距離為5 15cm，煅燒前驅體的溫度控制在40(T80(TC，反應時間在I. 5 4小時之間。在上述參數范圍內制作的有源層均能到較好的質量和性能。另外，這種金屬氧化物薄膜場效應晶體管的有源層制作，襯底的材質為玻璃、陶瓷、硅、塑料中的至少一種；源極、漏極的材質為金、銀、銅、PED0T:PSS聚合物中至少一種；且源極、漏極的制作方法是氣溶膠印刷法、噴墨印刷法、磁控濺射、光刻或真空蒸鍍沉積法
之一 O本發明公開了一種金屬氧化物薄膜晶體管的制備方法，通過電紡絲技術實現了低成本、大規模納米尺度高金屬氧化物薄膜場效應晶體管的大規模制作。同時，該制備方法要求的環境很寬松，不需要在手套箱等無水無氧環境下實施，簡化了工藝，很好的改善了有源層膜的制備方法。
權利要求
1.一種金屬氧化物薄膜場效應晶體管有源層的制備方法，其特征在于，其步驟包括 A :將粘合劑、有機溶劑和含有鋅、銦、鎵或錫中至少一種元素的金屬鹽混合形成的前驅體，利用靜電紡絲技術將所述前驅體噴射至接收板上形成復合納米纖維膜； B:將步驟A所獲得的復合納米纖維膜在400 800°C煅燒2 4h，從而獲得金屬氧化物薄膜場效應晶體管的有源層。
2.根據權利要求I所述有源層的制備方法，其特征在于，所述金屬鹽與所述粘合劑的質量比為I 15:1 5。
3.根據權利要求I或2所述有源層的制備方法，其特征在于，所述金屬鹽為醋酸鋅、硝酸銦、硝酸鎵、硝酸錫或亞硝酸錫中至少一種。
4.根據權利要求I所述有源層的制備方法，其特征在于，步驟A中所述前驅體溶液的制備步驟為將所述金屬鹽、粘合劑在所述有機溶劑中混合，攪拌I 4h。
5.根據權利要求I所述有源層的制備方法，其特征在于，所述有機溶劑為氯仿、乙醇、丙酮、二氯甲烷或甲苯中的一種。
6.根據權利要求I所述有源層的制備方法，其特征在于，所述粘合劑為聚乙烯基吡咯烷酮，聚乙烯醇，聚乙烯，聚(丁二烯-苯乙烯)，聚酰胺，聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一種。
7.根據權利要求I所述有源層的制備方法，其特征在于，所述電紡絲法，是在10 100KV電壓下將所述組合物噴射到接收板上。
8.根據權利要求I所述有源層的制備方法，其特征在于，所述電紡絲法的工作設備包括噴絲管，所述噴絲管的管頭內徑為O. 5 5mm ;所述噴絲管到所述接收板的距離為5 15cm0
9.根據權利要求I所述有源層的制備方法，其特征在于，所述金屬氧化物薄膜場效應晶體管為底柵-頂接觸、底柵-底接觸、頂柵-底接觸、頂柵-頂接觸的結構中的一種。
10.根據權利要求I所述有源層的制備方法，其特征在于，所述金屬氧化物薄膜場效應晶體管還包括源極和漏極，所述源極和漏極的制作方法是氣溶膠印刷法、噴墨印刷法、磁控濺射、光刻、真空蒸鍍沉積之一。
11.根據權利要求9所述有源層的制備方法，其特征在于，所述源極和漏極的材質是金、銀、銅或PEDOT: PSS聚合物材料中的一種。
全文摘要
本發明涉及電子材料制作領域，尤其是指一種金屬氧化物薄膜場效應晶體管有源層的制備方法，其步驟包括A將由金屬鹽、粘合劑和有機溶劑形成的前驅體，利用靜電紡絲技術將所述前驅體噴射至接收板上；B:將步驟A所述的前驅體置于馬弗爐中400～800℃煅燒2～4h。本發明通過電紡絲技術制備的有源層實現低成本、大規模的納米尺度、高性能場效應晶體管的制作。該制備方法要求的環境很寬松，不需要在手套箱等無水無氧環境下實施，簡化了工藝，且制得的有機電子器件具有很強的抗水氧能力，很好地簡化了有源層的制作方法，同時改善了有源層的性能，獲得高性能的場效應晶體管。
文檔編號H01L21/336GK102867756SQ201210366188
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月27日 優先權日2012年9月27日
發明者潘革波, 肖燕 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所