[发明专利]非晶氧化铟锌/氧化铟纳米晶同质复合薄膜晶体管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种非晶氧化铟锌/氧化铟纳米晶同质复合薄膜晶体管及其制备的方法，属于纳米材料与纳米器件领域。

背景技术

随着信息时代的到来，显示器件（LCD）、电子纸正加速向平板化、节能化的方向发展，其中以薄膜晶体管(TFT)为开关元件的有源阵列驱动显示器件成为众多平板显示技术中的佼佼者。TFT是一种场效应半导体器件，包括衬底、半导体沟道层、绝缘层、栅极和源漏电极等几个重要组成部分，其中半导体沟道层对器件性能至关重要。

目前，对于TFT-LCD，其中的半导体沟道层主要采用非晶硅(a-Si)和多晶硅薄膜晶体管(p-Si)。a-Si系的TFT-LCD具有制备工艺简单、漏电流小等特点，成为目前应用最广、发展最快、工艺最为成熟的一种显示器件。但是随着液晶显示器朝着高清晰度和大显示容量方向发展，而且像素元尺寸越来越小，为了保证足够高的开口率，要求TFT的尺寸更小。同时，由于像素密度的增加，单元像素的充电时间更短，提高TFT的迁移率就显得颇为重要。然而，a-Si材料的迁移率 ～1 cm²/Vs且掺杂效率较低，不能满足小尺寸、高充电能力TFT的要求。另外a-Si材料有很强的光电效应，能够降低TFT的关态电阻，影响液晶像素的电荷存贮特性。正是因为a-Si薄膜晶体管存在上述问题，九十年代后期人们把注意力转移到p-Si材料，这是由于p-Si的载流子迁移率比a-Si高1～2数量级。这就使得p-Si系TFT的响应速度快，图像数据写入速度快。但是，目前p-Si 系的TFT存在两个问题：一是TFT的关态电流较大；二是高迁移率多晶硅材料的低温大面积制备较困难。因此人们在不断地寻找性能更加优良的材料体系。

同时，有机EL显示技术也是当前科技界和产业界普遍看好的一种很有前途的显示技术。但是Si-TFT-OLED也存在发出的大部分（70%-90%）光的被Si-TFT遮挡的现象。而OLED的亮度与其注入电流成正比，所以为了提高其显示亮度，需要增大注入电流，然而电流增大会造成发热增加，导致器件失效加速。

于是科研工作者将目光转移到了单壁碳纳米管和石墨烯，它们具有非常优秀的半导体特性，比如极高的载流子迁移率 ，但是碳纳米管的排列以及本身具备的金属半导体分离等问题难以克服。而对于石墨烯来说，虽然迁移率较高，但是由于石墨烯材料本身没有带隙，相应研制出的器件开关比都比较低（<10）。同时，石墨烯的掺杂技术也没有完全解决，不适合做逻辑开关器件。

因此为了解决以上的问题，开发与之兼容的柔性基底上高速、稳定半导体TFT开关阵列成为当前的迫切需求之一。作为TFT材料，透明氧化物半导体（TCO）受到研究者和显示屏生产厂商的瞩目。在当前研究的非晶氧化物半导体中，导带主要由球形对称的金属阳离子大半径s轨道构成，相邻轨道产生较大的重叠，为电子的传输形成了通道，这样就不受非晶结构的影响，使得非晶氧化物半导体材料具有较大的载流子迁移率。因此TCO-TFT相比非晶硅TFT由于具有高电子迁移率、高电导、生长温度低和高透光性已成为当前的研究热点之一。对于柔性显示器件来说，非晶态透明氧化物TFT由于具有常温生长、薄膜光洁度高、应力低、兼容性好和可大面积生长的优势可能成为今后柔性平板显示TFT驱动开关阵列的首选材料。

    众所周知，氧化铟（In₂O₃）是一种宽禁带的N型半导体材料，直接带隙为3.55-3.75eV，间接带隙为2.6 eV,具有较高的迁移率，在可见光范围的透过率超过90％，这些性质使氧化铟具有良好的应用前景，如太阳能电池、光电器件、薄膜晶体管和传感器等。氧化锌（ZnO）具有N型半导体的特征,能带隙约为3.3 eV,使用铝、镓、铟等第III主族元素或氯、碘等卤素可以调节其N型半导体性能。高能带隙为氧化锌带来击穿电压高、维持电场能力强、电子噪声小、可承受功率高等优点。

而单一的氧化物薄膜，不能提供高迁移率和透光率，也不能可控调制，于是就有了In₂O₃-ZnO（IZO）的二维的纳米薄膜结构，这种共体可以实现载流子高迁移率和可调制性。IZO同时也具有高透光性和高导电性，也可以用来作为平板显示器和太阳能电池，成为时下很热的薄膜晶体管技术（TFT）的选择之一，但是当前的这种薄膜晶体管的迁移率很低，所以我们采用了复合同质纳米氧化铟颗粒，以达到其迁移率提高的目的。