一種低壓p型氧化物納米纖維場效應電晶體的製備方法與流程
2023-12-05 11:53:06 1
技術領域:
本發明屬於場效應電晶體製備技術領域，涉及一種一種低壓p型氧化物納米纖維場效應電晶體的製備方法，特別是一種利用靜電紡絲技術製備基於p型氧化鎳(nio)納米纖維的低壓、高性能場效應器件的方法。
背景技術：
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隨著科學技術的發展，平板顯示產業已經成為電子信息領域的「核心支柱產業」之一，在顯示技術的發展過程中，非晶矽場效應電晶體(fet)的使用實現了顯示技術從真空到平板的轉型，從傳統的非晶矽fet到多晶矽fet，從高溫的多晶矽fet到低溫的多晶矽fet再到金屬氧化物fet，製備技術越來越成熟，從產品開發上看已經覆蓋了相機、手機、筆記本電腦、電腦顯示器和電視等領域。近幾年，隨著透明金屬氧化物研究的深入，以二元氧化鋅和氧化銦，三元銦鋅氧和鋅錫氧，四元銦鎵鋅氧等n型薄膜材料為溝道層的fet被廣泛報導。這些材料本身具有很高的電子濃度和較大的禁帶寬度，用這些金屬氧化物製作的fet具有可見光範圍透明，遷移率高、工藝溫度低等優點。然而，由於缺乏具有高的遷移率、性能穩定和易於製備的p型氧化物，p型氧化物fet的發展受到嚴重製約。相比於n型fet，p型fet在顯示技術領域具有更明顯的優勢，即為oled陽極提供空穴電流時不會影響漏極電流，能實現更高質量的顯示應用。此外p型氧化物tft也是互補金屬氧化物半導體(cmos)的必需組成部分。與單一極性溝道fet電路相比，大尺寸顯示驅動電路更需要互補fet集成器件。cmos是電壓控制的一种放大器件，是組成cmos數字集成電路的基本單元。目前，對p型氧化物材料的研究主要集中在zno的p型摻雜方面，但實現起來非常困難，而且將其久置在空氣中還會發生p型到n型的轉變。然而目前對於本徵p型氧化物fet的研究仍然處於初級階段，截至目前，本徵p型氧化物tft材料屈指可數，只有氧化(亞)銅、氧化鎳、氧化亞錫等少數幾種材料，且性能遠遠達不到n型氧化物fet的水平。p型氧化物tft在液晶顯示中的應用是顯示技術領域又一待攻破的難題。因此，目前氧化物fet發展的當務之急是研究發展與n型氧化物fet性能相匹配的p型氧化物半導體材料。
近幾年一維納米材料憑藉獨特的納米尺度、高比表面積、較大的長度/直徑比，以及不同於大塊樣品的電、磁、力、熱、光等物理化學性質，成為材料領域的研究熱點。一維納米結構材料比如無機半導體納米線/管/棒、碳納米管、和高分子納米纖維/管等是目前科學研究的熱點之一，它們在納米電子器件、光學器件、傳感器、過濾裝置、能源收集、存儲和轉化器件、納米複合材料以及生物醫學等諸多領域有廣闊的應用前景(chem.soc.rev.41,5285,2012)。靜電紡絲技術是指聚合物溶液或者熔體在高壓靜電場作用下形成纖維的過程，是國內外最近十幾年發展起來的用於製備超細纖維的重要方法，具有操作工藝簡單以及較廣泛的適用性等特點，該技術由formhals等在20世紀30年代申請的一系列美國專利中進行報導，他以乙酸纖維素為研究對象，闡述了聚合物溶液如何在電極問形成射流(uspatentno.1975504，1934)。但是隨後在利用靜電紡絲技術製備聚合物纖維方面的研究發展較為緩慢，尚未引起廣泛的關注。直到20世紀90年代，由於美國阿克隆大學reneker小組的一系列研究工作，特別是隨著納米科技的發展，世界各國的科研界和工業界對高壓靜電紡絲技術的研究熱情開始重新點燃，靜電紡絲技術近年來獲得了快速發展(nanotechnology7,216,1996)，靜電紡絲技術不只可以製備聚合物纖維，還可以製備複合纖維和氧化物纖維，當金屬氧化物的材料優勢和靜電紡絲的技術優勢相結合的時候，一幅美好的微電子技術發展路線圖呈現在我們面前。儘管研究人員付出了大量的努力，但是靜電紡絲納米纖維場效應電晶體的器件性能還是差強人意，極大的壓制了這個極被看好的研究方向的發展。因此通過優化試驗工藝製備高性能低維納米器件成為集成電路下一步發展的亟待解決的任務。本發明利用「靜電紡絲」方法製備氧化鎳(nio)納米纖維，並首次製備了基於高k介電層的低壓p型nio納米纖維fet器件。基於上述工藝，製備的nio/al2o3結構的tft器件不僅具有較高的載流子遷移率(2.75cm2/vs)，而且具有極低的操作電壓(<5v)，有效降低了器件能耗，這些優點使其在未來的低能耗電子顯示、cmos集成領域有很廣闊的潛在市場。
技術實現要素：
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本發明的目的在於克服現有技術存在的缺點，尋求設計和提供一種製備低壓、高性能p型金屬氧化物納米纖維場效應電晶體的方法，以二甲基甲醯胺和甘油作為溶劑，硝酸鎳為溶質，聚乙烯吡咯烷酮作為增稠劑，採用「靜電紡絲」技術、熱退火相結合的方式製備高質量p型nio納米纖維半導體材料，進一步製備以nio納米纖維為溝道層的fet器件，利用溶膠凝膠技術製備的al2o3高k介電薄膜能替代傳統的熱氧化sio2柵介電層，實現高性能、低能耗nio納米纖維器件的製備。
為了實現上述目的，本發明具體包括以下工藝步驟：
(1)nio前驅體溶液的製備：先將硝酸鎳(ni(no3)2·h2o)溶於二甲基甲醯胺和甘油的混合溶液中，其中二甲基甲醯胺和甘油的體積比為1:0.1-9:1，在20-90攝氏度下磁力攪拌1-24小時形成澄清透明、濃度為0.01-0.5摩爾的前驅體溶液，再將聚乙烯吡咯烷酮(130萬分子量)加入到前驅體溶液中，每5毫升前軀體溶液添加聚乙烯吡絡烷酮0.1-1.5克；
(2)nio納米纖維的製備：先將帶有200納米厚的sio2或者塗有al2o3高k薄膜的si片放置在靜電紡絲裝置接收端，前軀體溶液注入注射泵內，靜電紡絲裝置針頭處連接直流高壓電源，接收端距離針頭為5-25釐米，設置注射泵推進速度為0.1-1.5毫升/小時，直流高壓為10-20千伏，在電場力、庫侖力和表面張力等作用下，前驅體溶液噴出並劇烈抖動，納米纖維直徑顯著下降，最後被接收端接收，在sio2或si片上得到均勻分布的nio複合納米纖維樣品；其中納米纖維的收集時間為5-120秒，再將nio複合納米纖維樣品放到高壓汞燈下利用uv光處理20-60分鐘，其中汞燈波長範圍為200-400納米，功率為500-1200瓦，然後將光處理後的nio複合納米纖維樣品樣品放置在爐子中進行高溫煅燒處理得到相純的nio納米纖維；其中爐子溫度為300-700攝氏度，退火時間為30-150分鐘；
(3)源、漏電極的製備：利用真空熱蒸發技術和不鏽鋼掩膜版在nio納米纖維溝道層上製備金屬源、漏電極，即得到基於sio2或al2o3高k介電層的nio納米纖維fet器件。
本發明所述al2o3高k薄膜的製備參數見cn201510835588.7。
本發明所述靜電紡絲裝置為市售產品longerpump。
本發明與現有技術相比，有以下優點：一是採用「靜電紡絲」技術製備p型nio半導體納米纖維，相比於其他的納米材料製備技術(如化學氣相沉積或者水熱法)，該技術工藝簡單，易於操作，成本低廉、適合工業大面積生產；二是該發明中首次製備了基於靜電紡絲技術的p型nio納米纖維場效應器件，極大地解決了該領域的空白，為低維器件和cmos電路的發展奠定重要基礎；三是首次嘗試利用化學溶液法製備超薄高k介電薄膜來代替傳統sio2作為p型fet器件的柵介電層，得到的器件具有更低的操作電壓，更加節能，為低功耗、高性能cmos器件的發展奠定良好的科學基礎；其總體實施方案低成本，工藝簡單，原理可靠，產品性能好，製備環境友好，應用前景廣闊，為大面積製備高性能納米纖維fet器件提供可行性方案。
附圖說明：
圖1為本發明實施例製備的nio複合納米纖維結構圖。
圖2為本發明實施例得到的相純的nio納米纖維網格結構圖，其中(a)為550℃熱退火後的nio納米纖維網格，(b)為高分辨透射電鏡所拍攝的單根nio納米纖維，(c)為nio高分辨投射電鏡圖，(d)為nio選區電子衍射，從a-d圖拍攝精度依次增加。
圖3為本發明實施例製備的ni/nio/sio2/si轉移特性曲線測試圖，其中a，b，c，d分別在源漏電壓為20，15，10，5伏時測得。
圖4為本發明實施例製備的ni/nio/al2o3/si轉移特性曲線測試圖，其中a，b，c，d分別在源漏電壓為5，4，3，2伏時測得。
具體實施方式：
下面通過具體實施例並結合附圖對本發明做進一步說明。
實施例：
本實施例利用「靜電紡絲技術」製備nio納米纖維fet器件的工藝步驟主要包括：
(1)nio前驅體溶液的配製及nio納米纖維的製備：
將0.14克硝酸鎳、0.65克聚乙烯吡咯烷酮(130萬分子量)加入到5毫升二甲基甲醯胺和甘油混合溶液中(其中二甲基甲醯胺和甘油的體積分別為4.5和0.5毫升)，用磁力攪拌器旋轉12小時，得到綠色透明的粘性前驅體溶液；將帶有200納米厚的sio2的或者塗有20納米厚的al2o3高k薄膜的si片放置在靜電紡絲裝置接收端，該接收端由接地的鋁箔紙組成，靜電紡絲裝置針頭處連接直流高壓電源，接收端距離針頭固定為15釐米；設置注射泵推進速度為0.5毫升/小時，直流高壓為15千伏，在電場力、庫侖力、表面張力等作用下納米纖維最後被接收端接受(其中納米纖維的收集時間為15秒)，最後得到均勻分布的nio複合納米纖維(圖1)；
(2)煅燒處理：
對步驟(1)得到的nio複合納米纖維首先利用uv光處理40分鐘，其中汞燈波長主峰為365納米，功率為1000瓦，該步驟有效地提高了納米纖維與襯底的粘附力，避免後續加熱過程中納米纖維的脫落；隨後將纖維樣品放置在爐子中進行550攝氏度煅燒90分鐘，分解其中的有機物，得到相純的nio納米纖維網格(圖2)；
(3)熱蒸發沉積源、漏金屬電極：
通過真空熱蒸發技術，在nio納米纖維溝道層上用寬長比為1000/100微米的不鏽鋼掩膜版製備100納米厚的金屬ni作為源、漏電極，製備得到ni/nio/al2o3/si和ni/nio/sio2/si結構的fet器件；
本實施例製備的nio納米纖維場效應電晶體進行測試，其中ni/nio/sio2/si轉移特性曲線測試如圖3(其中a，b，c，d4根轉移曲線分別在源漏電壓為20，15，10，5伏時測得)；從圖3可以看出隨著製得的nio納米線具有極好的場效應調控，器件電流開關比超過103。這也是目前該領域首次報導具有良好場效應調控能力的p型金屬氧化物納米線器件；ni/nio/al2o3/si轉移特性曲線測試如圖4所示(其中a，b，c，d4根轉移曲線分別在源漏電壓為5，4，3，2伏時測得)，從圖4可以看出利用al2o3高k介電層替換傳統的sio2，器件的操作電壓從35伏降低到只有5伏，這也是首次報導可低壓操作的p型金屬氧化物納米線器件，對於可攜式、電池驅動的設備提供可靠地技術保障。