一种ZnO基透明薄膜晶体管阵列的制备方法

摘要

本发明公开了一种制备透明ZnO基薄膜晶体管阵列的方法，该方法采用四次剥离工艺的制备过程，用射频磁控溅射技术生长ZnO基薄膜并在氧气中对ZnO基薄膜进行退火处理以提高其电学性质。该薄膜晶体管阵列采用ITO、ZnO:Al或ZnO:Ga等透明导电薄膜作为栅、源、漏电极，用SiO2、Al2O3、SiNX等薄膜作为绝缘层。实验得到ZnO基薄膜晶体管阵列在可见光波段的透过率达到85％，为开发高性能的平板显示阵列提供了一种新的途径。

说明书

                        技术领域

本发明属于平板显示(FPD)技术领域，涉及一种ZnO基透明薄膜晶体管阵列的制备方法，采用该方法制备的ZnO基透明薄膜晶体管阵列在可见光波段的透过率高，为开发高性能的平板显示阵列提供了一种新的途径。

                        背景技术

随着信息时代的到来，有源驱动平板显示技术应用日趋广泛，其中最典型的代表是薄膜晶体管驱动的液晶显示器(TFT-LCD)和薄膜晶体管驱动的有机发光二极管显示器(TFT-OLED)，薄膜晶体管作为一种开关元件对提高显示器件的性能起到至关重要的作用。为了实现低功耗、快响应速度、工艺稳定的显示器件，以非晶硅、多晶硅和有机半导体为沟道层的薄膜晶体管被广泛研究。但是，非晶硅薄膜晶体管迁移率低，且有很强的光电效应，影响液晶像素的电荷存贮特性。多晶硅薄膜晶体管制备工艺复杂、成本高，同时硅基薄膜晶体管在可见光波段不透明，限制了显示单元开口率的提高。而有机半导体薄膜晶体管(OTFT)难以克服低寿命、低迁移率等缺点。

氧化锌(ZnO)是一种近年来被广泛研究的宽禁带化合物半导体，在白光二极管、紫外探测器、气敏传感器、声表面波器件中有重要的应用。该材料具有生长温度低、较高的电子迁移率、易于刻蚀、对衬底要求不高等优点。最近有人报道了以ZnO基材料为沟道层的薄膜晶体管，并显示出优异的电光性质。若使用ZnO基TFT作为有源矩阵驱动的开关元件将有以下明显优势：

1)ZnO基薄膜具有较高的电子迁移率，可以提高显示器的响应速度，满足高清晰、大容量终端显示的要求；

2)可以制备可见光范围有较高透过率的全透明薄膜晶体管，提高液晶显示器的开口率，使显示器屏幕更清晰明亮并降低能耗；

3)ZnO基薄膜的生长温度低、对衬底要求不高。这些都可以降低显示器的成本，并为柔性显示器件开辟新的途径。

                        发明内容

本发明的目的在于，提供一种ZnO基透明薄膜晶体管阵列的制备方法，该方法采取了四次光刻剥离技术的制备过程，分别在衬底上制备了栅极、ZnO基沟道层、绝缘层和源、漏电极，同时采用在高纯氧气中退火处理的方法来改善ZnO基薄膜的电学性质。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种制备透明ZnO基TFT阵列的方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤一，以普通玻璃或石英作为衬底，在衬底上光刻栅极图形，然后用磁控溅射沉积ITO、ZnO:Al或ZnO:Ga等透明导电薄膜，取出样品在丙酮溶液中超声数分钟，将剩余光刻胶剥离即形成栅极；

步骤二，在ITO栅极上面二次套刻绝缘层图形，用磁控溅射生长SiO₂、Al₂O₃薄膜或用化学气相沉积法制备SiN_X等绝缘层，同样在丙酮中超声将多余光刻胶部分剥离；

步骤三，再次在绝缘层薄膜上光刻沟道层图形，用磁控溅射生长ZnO基薄膜，然后在丙酮中超声去掉多余光刻胶；

步骤四，将ZnO基薄膜在500℃氧气氛围中退火处理1h，以提高其电学性能。

步骤五，在沟道层图形上套刻源、漏电极图形，源漏电极采用磁控溅射法制备，材料可选用ITO、ZnO:Al或ZnO:Ga等透明导电薄膜，然后经过丙酮超声处理后即得到透明ZnO基TFT阵列。

本发明的方法可以制备出ZnO基透明薄膜晶体管阵列，该制备过程完全和现有的微电子工艺相兼容，整个制备过程在低温下完成，为开发高性能的平板显示阵列提供了一种新的途径。

                    附图说明

图1是透明ZnO-TFT的截面结构示意图；

图2为显微镜下拍摄的单个透明ZnO-TFT的实物图片；

图3为制备在石英玻璃衬底上的透明ZnO-TFT阵列的实物图片；

图4为透明ZnO-TFT的输出特性曲线；

图5是透明ZnO-TFT的转移特性曲线；

图6是透明ZnO-TFT的透射光谱；

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

                        具体实施方式

本发明是采用四次光刻剥离工艺和磁控溅射技术制备ZnO基透明薄膜晶体管阵列，参见图1，透明薄膜晶体管是一种场效应开关器件，具体结构包括衬底，衬底上有栅极、绝缘层、沟道层薄膜、源极和漏极，其中，如果衬底和每层薄膜都采用透明材料就可以制备透明的ZnO基薄膜TFT阵列，栅极和源、漏电极一般用透明导电的ITO、ZnO:Al或ZnO:Ga等薄膜，绝缘层可以采用SiO₂、Al₂O₃等介电薄膜。

以下是发明人给出的具体实施例：

实施例1：

本实施例是制备ZnO沟道层透明薄膜晶体管阵列，具体的实施步骤为：

1.在普通玻璃或石英衬底上光刻栅极图形，然后用磁控溅射生长ITO透明导电薄膜，取出样品在丙酮溶液中超声数分钟形成栅极图形，栅极薄膜厚度为200nm左右；

2、在ITO栅极上面二次套刻绝缘层图形，用磁控溅射生长SiO₂薄膜作为绝缘层，并在丙酮中超声将多余光刻胶部分剥离；

3、在绝缘层薄膜上套刻沟道层图形，并磁控溅射生长ZnO薄膜，然后在丙酮中超声去掉多余光刻胶；

4、将样品在500℃氧气氛围中退火处理1h；

5、在ZnO沟道层上套刻源、漏电极图形，并用磁控溅射沉积ITO薄膜作为接触电极，然后经过丙酮超声处理后即得到透明ZnO-TFT阵列。

实验表明，本实施例在高纯氧气中对ZnO薄膜进行退火处理，能够提高ZnO-TFT的电学性质。

申请人对制备的透明ZnO-TFT的电学性质进行了测试，发现该晶体管具有很好的场控电流作用和夹断特性。工作在N沟道增强模式，电流开关比约为10⁴，阈值电压为-0.7V，电子的场迁移率达到15.6cm²V^-1s^-1(图4、图5)。

实施例2：

本实施例与实施例1所不同的是，将步骤1和步骤5中的ITO薄膜换为ZnO:Al或ZnO:Ga等透明导电薄膜，同样可制备透明ZnO-TFT阵列。

实施例3：

本实施例与实施例1所不同的是，将步骤2中的SiO₂薄膜换为HfO₂、Al₂O₃或Y₂O₃等透明的绝缘层薄膜，其它均同实施例1。

实施例4：

本实施例与实施例1所不同的是，将步骤1中的ZnO靶材换成Zn-Mg-O、Zn-Sn-O或Zn-In-O靶材，其它均同实施例1。