CN111129160B - 基于氧化锆和氧化镧的透明薄膜晶体管器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于氧化锆和氧化镧的透明薄膜晶体管器件，包括从下到上依次设置的导电玻璃衬底、介电层、半导体层、上金属电极，所述上金属电极包括源电极和漏电极，所述介电层材料为氧化锆和氧化镧的混合氧化物。采用溶液法制备TFT的绝缘层和半导体层，实现低成本大面积的TFT制备，设备和原料投资较少；在工艺上与传统工艺兼容，能有效控制了制备成本。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜晶体管技术领域，具体地涉及一种基于氧化锆和氧化镧的透明薄膜晶体管器件及其制备方法。
背景技术
薄膜晶体管（TFT）在显示器领域有着广阔的前景，薄膜晶体管技术由原来的a-Si(非晶硅)薄膜晶体管发展到现在的LTPS(多晶硅)薄膜晶体管、MILC薄膜晶体管、Oxide薄膜晶体管等。而发光技术也由原来的LCD、PDP发展为现在的OLED(有机发光显示器)。
传统的制备薄膜晶体管的方法有很多，例如原子层沉积，磁控溅射，物理气相沉积，化学气相沉积等等。
例如中国专利文献CN 105609564 A公开了一种薄膜晶体管制造方法，S1，在衬底上形成栅电极层；S2，在栅电极层上形成栅极绝缘层，并在栅极绝缘层上沉积半导体层；S3，形成半导体层，并对半导体层上对应溅射靶材空隙的区域进行氧化处理，以减少对应溅射靶材空隙的区域上的氧空位，然后在半导体层上形成沟道区、源区和漏区；S4，在半导体层的两端沉积源漏金属，并通过光刻形成源电极和漏电极；S5，在源漏金属上沉积钝化层，并在钝化层上形成源电极接触孔和/或漏电极接触。然而这些传统方法都要使用真空设备，成本高昂且很难大面积生产。
TFT器件的难点在于如何使得电极材料在具有高透明性的同时具有高导电性。然而现有的制备方法大都制备成本高昂，无法大规模生产，要么TFT器件的性能无法得到保证。
发明内容
为了解决上述存在的技术问题，本发明的目的是提出了一种基于氧化锆和氧化镧的透明薄膜晶体管器件及其制备方法，采用溶液法制备绝缘层和半导体层，可低成本，大面积生产TFT，实现大规模工业应用，同时抑制了介电层薄膜的结晶，降低其对水和二氧化碳的吸收作用，从而提高TFT器件的性能。工艺上与柔性设备制备工艺兼容，应用前景广阔。
本发明的技术方案是：
一种基于氧化锆和氧化镧的透明薄膜晶体管器件，包括从下到上依次设置的导电玻璃衬底、介电层、半导体层、上金属电极，所述上金属电极包括源电极和漏电极，所述介电层材料为氧化锆和氧化镧的混合氧化物。
优选的技术方案中，所述导电玻璃衬底的导电材料为铟锡氧或氟锡氧。
优选的技术方案中，所述上金属电极为铟锡氧或氟锡氧。
本发明还公开了一种基于氧化锆和氧化镧的透明薄膜晶体管器件的制备方法，包括以下步骤：
S01：将0.5-2.5 mol/L前驱体溶液旋涂在导电玻璃衬底上，所述前驱体溶液为金属锆的硝酸盐或氯盐中掺杂金属镧的硝酸盐或氯盐，旋涂速度为3000-5500转/秒，旋涂时间为20-60s；
S02：将旋涂好前驱体溶液的导电玻璃衬底置于热板上退火形成介电层，退火温度为150-300℃，退火时间为40-80分钟；
S03：制备半导体层；
S04：沉积上金属电极。
优选的技术方案中，所述步骤S01之前还包括清洗导电玻璃衬底，包括：
将导电玻璃衬底完全浸入肥皂水中超声清洗15-30分钟，然后将导电玻璃衬底完全浸入丙醇中超声清洗15-30分钟，最后将导电玻璃衬底完全浸入异丙醇中超声清洗15-30分钟，用去离子水冲洗导电玻璃衬底去除残留的杂质并用氮气吹干；
用空气等离子体对导电玻璃衬底进行15-45分钟表面处理。
优选的技术方案中，所述步骤S03制备半导体层，包括：
将半导体前驱体药品溶于水溶液中，制得浓度为0.5-2.5mol/L半导体前驱体溶液；所述半导体前驱体药品为半导体层的金属氧化物对应的金属硝酸盐；
将半导体前驱体溶液超声震荡15-60分钟；
将半导体前驱体溶液旋涂在制备好的介电层上，旋涂速度为3000-5500转/秒，旋涂时间为20-60s。
优选的技术方案中，所述步骤S01中掺杂金属镧的硝酸盐或氯盐的浓度占总浓度的比例为0-50%。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、在氧化锆中掺杂氧化镧可以结合二者的优点，抑制介电层薄膜的结晶，降低其对水和二氧化碳的吸收，从而提高TFT器件性能。此外，柔性屏在消费电子、智能家居、运动时尚、汽车航空、建筑装饰等五大领域有着迫切的需求。柔性材料的应用也是TFT发展的必然趋势。
2、采用溶液法制备绝缘层和半导体层，可低成本，大面积生产TFT，实现大规模工业应用。
3、在工艺上与柔性设备制备工艺兼容，应用前景广阔。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明基于氧化锆和氧化镧的透明薄膜晶体管器件的制备方法的流程图；
图2为第一实施例的基于氧化锆和氧化镧的透明TFT器件的结构示意图；
图3为基于氧化锆和氧化镧的透明TFT器件的输出特性示意图；
图4为第二实施例的基于氧化锆和氧化镧的透明TFT器件的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1所示，本发明公开了一种基于氧化锆和氧化镧的透明薄膜晶体管器件的制备方法，包括以下步骤：
S01：将0.5-2.5 mol/L前驱体溶液旋涂在导电玻璃衬底上，前驱体溶液为金属锆的硝酸盐或氯盐中掺杂金属镧的硝酸盐或氯盐，掺杂金属镧的硝酸盐或氯盐的浓度占总浓度的比例为0-50%，旋涂速度为3000-5500转/秒，旋涂时间为20-60s；
S02：将旋涂好前驱体溶液的导电玻璃衬底置于热板上退火形成介电层，退火温度为150-300℃，退火时间为40-80分钟；
S03：制备半导体层；包括：
将半导体前驱体药品溶于水溶液中，制得浓度为0.5-2.5mol/L半导体前驱体溶液；半导体前驱体药品为半导体层的金属氧化物对应的金属硝酸盐；可以为金属硝酸盐中的一种或两种以上互相掺杂，掺杂金属药品浓度占总药品浓度的比例为0-50%。
将半导体前驱体溶液超声震荡15-60分钟；
将半导体前驱体溶液旋涂在制备好的介电层上，旋涂速度为3000-5500转/秒，旋涂时间为20-60s。
S04：沉积上金属电极。
优选的技术方案中，步骤S01之前还包括清洗导电玻璃衬底，包括：
将导电玻璃衬底完全浸入肥皂水中超声清洗15-30分钟，然后将导电玻璃衬底完全浸入丙醇中超声清洗15-30分钟，最后将导电玻璃衬底完全浸入异丙醇中超声清洗15-30分钟，用去离子水冲洗导电玻璃衬底去除残留的杂质并用氮气吹干；
用空气等离子体对导电玻璃衬底进行15-45分钟表面处理。
最后得到基于氧化锆和氧化镧的透明薄膜晶体管器件，包括从下到上依次设置的导电玻璃衬底、介电层、半导体层、上金属电极，上金属电极包括源电极和漏电极，介电层材料为氧化锆和氧化镧的混合氧化物。导电玻璃衬底的导电材料为铟锡氧或氟锡氧。上金属电极为铟锡氧或氟锡氧。半导体层材料选自金属氧化物中的一种。
下面以具体的实施例进行说明：
实施例1：
如图2所示，一种基于氧化锆和氧化镧的透明TFT器件，包括从下到上依次设置的导电玻璃衬底400，介电层300，半导体层200，上金属电极（100，101）；上金属电极包括源电极100和漏电极101，导电玻璃衬底导电材料为铟锡氧，半导体层材料选自氧化铟，上金属电极为铟锡氧。
其制备方法，具体步骤包括：
a）将前驱体药品溶于水溶液中，得到浓度为2.5mol/L的前驱体溶液，前驱体药品为硝酸锆和硝酸镧掺杂，二者比例为9：1；
b）将前驱体溶液超声震荡15分钟；
c）清洗导电玻璃衬底，导电玻璃衬底导电材料为铟锡氧，将导电玻璃衬底完全浸入肥皂水中超声清洗20分钟，然后将导电玻璃衬底完全浸入丙醇中超声清洗20分钟，最后将导电玻璃衬底完全浸入异丙醇中超声清洗20分钟，用去离子水冲洗导电玻璃衬底去除残留的杂质并用氮气吹干；
d）将配备好的前驱体溶液旋涂在清洗好的导电玻璃衬底上，旋涂速度为4500转/秒，旋涂时间为40s；
e）将旋涂好前驱体溶液的导电玻璃衬底置于热板上退火形成介电层，退火温度为200oC，退火时间为60分钟；
f）制备半导体层，包括：首先将硝酸铟溶于水溶液中，制得浓度为0.5mol/L的半导体前驱体溶液，再将半导体前驱体溶液超声震荡15分钟；然后将半导体前驱体溶液旋涂在制备好的介电层上，旋涂速度为3000转/秒，旋涂时间为20s；
g）沉积上金属电极；本实施优选例采用磁控溅射，通过掩模板，沉积了厚度为300nm 的铟锡氧，作为铝金属源电极100、铝金属漏电极101。
氧化锆中掺杂氧化镧可以结合二者的优点，抑制结晶，降低对水和二氧化碳的吸收，从而提高器件性能。
图3为氧化锆掺杂氧化镧（锆：镧=9：1）的TFT器件的输出特性图，可以看出器件性能有了显著提高。
实施例2：
如图4所示，一种基于氧化锆和氧化镧的透明TFT器件，包括从下到上依次设置的导电玻璃衬底800，介电层700，半导体层600，上金属电极；上金属电极包括源电极500和漏电极501；导电玻璃衬底的导电材料为铟锡氧；半导体层材料选自氧化锌，上金属电极为铟锡氧。
其制备方法，具体步骤包括：
a）将前驱体药品溶于水溶液中，得到浓度为2.5mol/L的前驱体溶液，前驱体药品为氯化锆和氯化镧掺杂，二者比例为9：1；
b）将前驱体溶液超声震荡15分钟；
c）清洗导电玻璃衬底，将导电玻璃衬底完全浸入肥皂水中超声清洗20分钟，然后将导电玻璃衬底完全浸入丙醇中超声清洗20分钟，最后将导电玻璃衬底完全浸入异丙醇中超声清洗20分钟，用去离子水冲洗导电玻璃衬底去除残留的杂质并用氮气吹干；
d）将配备好的前驱体溶液旋涂在清洗好的导电玻璃衬底上，旋涂速度为4500转/秒，旋涂时间为40s；
e）将旋涂好前驱体溶液的导电玻璃衬底置于热板上退火形成介电层，退火温度为200oC，退火时间为60分钟；
f）制备半导体层，包括：首先将硝酸锌溶于水溶液中，制得浓度为0.5mol/L的半导体前驱体溶液，再将半导体前驱体溶液超声震荡15分钟；然后将半导体前驱体溶液旋涂在制备好的介电层上，旋涂速度为3000转/秒，旋涂时间为20s；
g）沉积上金属电极；本实施优选例采用磁控溅射，通过掩模板，沉积了厚度为300nm 的铟锡氧，作为铝金属源电极500、铝金属漏电极501。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (3)
1.一种基于氧化锆和氧化镧的透明薄膜晶体管器件的制备方法，其特征在于，所述氧化锆和氧化镧的透明薄膜晶体管器件包括从下到上依次设置的导电玻璃衬底、介电层、半导体层、上金属电极，所述上金属电极包括源电极和漏电极，所述介电层材料为氧化锆和氧化镧的混合氧化物，所述导电玻璃衬底的导电材料为铟锡氧或氟锡氧，所述上金属电极为铟锡氧或氟锡氧，包括以下步骤：
S01：将0.5-2.5 mol/L前驱体溶液旋涂在导电玻璃衬底上，所述前驱体溶液为金属锆的硝酸盐或氯盐中掺杂金属镧的硝酸盐或氯盐，旋涂速度为3000-5500转/秒，旋涂时间为20-60s；所述步骤S01中掺杂金属镧的硝酸盐或氯盐的浓度占总浓度的比例为0-50%；
S02：将旋涂好前驱体溶液的导电玻璃衬底置于热板上退火形成介电层，退火温度为150-300℃，退火时间为40-80分钟；
S03：制备半导体层；
S04：沉积上金属电极。
2.根据权利要求1所述的基于氧化锆和氧化镧的透明薄膜晶体管器件的制备方法，其特征在于，所述步骤S01之前还包括清洗导电玻璃衬底，包括：
将导电玻璃衬底完全浸入肥皂水中超声清洗15-30分钟，然后将导电玻璃衬底完全浸入丙醇中超声清洗15-30分钟，最后将导电玻璃衬底完全浸入异丙醇中超声清洗15-30分钟，用去离子水冲洗导电玻璃衬底去除残留的杂质并用氮气吹干；
用空气等离子体对导电玻璃衬底进行15-45分钟表面处理。
3.根据权利要求1所述的基于氧化锆和氧化镧的透明薄膜晶体管器件的制备方法，其特征在于，所述步骤S03制备半导体层，包括：
将半导体前驱体药品溶于水溶液中，制得浓度为0.5-2.5mol/L半导体前驱体溶液；所述半导体前驱体药品为半导体层的金属氧化物对应的金属硝酸盐；
将半导体前驱体溶液超声震荡15-60分钟；
将半导体前驱体溶液旋涂在制备好的介电层上，旋涂速度为3000-5500转/秒，旋涂时间为20-60s。
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