[發明專利]一種二維非晶氧化物半導體與薄膜晶體管及其制備方法

有效

• 申請號: 201810670232.6
• 申請日: 2018-06-26
• 公開（公告）號: CN110459601B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 呂建國;岳士錄;陸波靜;葉志鎮
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01L29/24
• 分類號: H01L29/24;H01L21/02;H01L29/786;H01L21/336
• 代理公司: 杭州宇信知識產權代理事務所(普通合伙) 33231
• 代理人: 梁群蘭

本發明公開了一種二維非晶氧化物半導體與薄膜晶體管及其制備方法，所述的二維非晶氧化物半導體厚度為1.0~3.1 nm，室溫禁帶寬度3.86~5.12 eV，具有明顯的量子約束效應，同時表現出二維特性和非晶態結構。在二維非晶氧化物半導體中，金屬元素滿足其離子具有(n?1)d¹⁰ns⁰（n為主量子數，且n≥4）球形電子結構。本發明還提供了幾種典型二維非晶氧化物半導體薄膜與薄膜晶體管的制備方法，所制備的二維非晶氧化物薄膜晶體管開關電流比大于10⁶，場效應遷移率達到100 cm²/Vs，性能優異，可在信息電子領域獲得廣泛應用。

技術領域

本發明涉及非晶氧化物半導體與薄膜晶體管，特別是涉及一種二維非晶氧化物半導體與薄膜晶體管及其制備方法。

背景技術

低維材料通常包括零維（0D），一維（1D）和二維（2D）材料。在過去的幾十年中，低維材料吸引了越來越多的學術研究和工業生產興趣。隨著材料從塊體轉變為低維狀態，考慮到低維材料具有較大的比表面積和量子限制效應，可以預期其性能有明顯的變化。近年來，低維材料，特別是具有獨特物理和化學性質的二維材料，一直是一個重要的研究課題。

眾所周知，石墨烯的發現引起了人們對二維材料探索的極大興趣。盡管石墨烯表現出優異的電學，機械，熱學和光學性質，但由于其零帶隙和電導率太高而不適合制造場效應晶體管（FET）。在這些方面，已經開發了替代的二維材料用于制備場效應晶體管，包括過渡金屬硫族化合物，過渡金屬氧化物和其他氧化物半導體。由二維過渡金屬硫化物或硒化物（例如MoS₂，WS₂，MoSe₂和WSe₂）制成的FET顯示出良好的開關特性和高遷移率。二維材料在制造下一代電子和光電子器件方面備受關注。然而，由于這些二維材料和器件的超小尺寸（僅約幾微米）和不可控制的形狀，這些二維材料和器件的制造工藝非常復雜。因而，二維材料很難在大規模生產中進行復雜的微納米制造。

在過去的十年中，非晶氧化物半導體（AOS）因其在下一代顯示器，生物傳感器，光電晶體管和透明電子器件中的潛力而備受關注。眾所周知，相比晶體半導體，非晶半導體在低工藝溫度下容易實現具有優異均勻性的大面積薄膜。在AOS中，首次發現的是銦鎵鋅氧（InGaZnO），這是Nomura等人報道的。在以下兩個系列的非晶氧化物半導體中，InMZnO和ZnMSnO（M = Al，Ga，Zr，Hf，Si，Nb，Ti，Mg），已經被生產和廣泛研究。由于In³⁺和Sn⁴⁺具有（n-1）d¹⁰ns⁰（n≥4，這里n是主量子數）的特殊電子構型，這種電子構型可以建立非晶態載流子傳輸路，AOS薄膜晶體管（TFT）可以獲得高于10 cm²/Vs的場效應遷移率。具有這些優異性能的非晶氧化物半導體與傳統的二維材料相比具有明顯的優勢，尤其是在批量生產中。

值得指出的是，目前報道的所有2D材料都是晶體材料，到目前為止還沒有關于2D非晶材料的報道。同時，AOS材料的研究從未達到過二維極限。因而，二維非晶氧化物半導體可以結合傳統非晶氧化物半導體與傳統二維材料的優點，解決現有二維材料尺寸小，制備工藝復雜、成本高、不易加工、難以與微電子工藝兼容的科技難題，是一個非常具有潛力的發展方向。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足和實際應用需求，提供一種二維非晶氧化物半導體薄膜及其薄膜晶體管，并給出一種有效的制備方法。

本發明提供了一種二維非晶氧化物半導體，所述的二維非晶氧化物半導體厚度0.7~6.2 nm，優選為0.7~3.1 nm；室溫下禁帶寬度在3.86~5.12 eV之間，且具有明顯的量子約束效應，為二維材料，具有非晶態結構。