金属氧化物半导体材料研究成果

无机半导体通过溶液加工技术可以得到较高性能的器件，这引起了材料科学界相当大的重视。这些无机半导体包括碳纳米管、硫族化合物半导体、硅及金属氧化物。其中，ZnO基材料作为通过溶液处理可以得到较高性能的半导体材料，已经得到了广泛的研究。这些材料很有希望用作TFT的通道层，这样的TFT能在空气中稳定存在，可应用于透明柔性电子工业中^[10-12]。不同于传统的共价半导体电荷转运载体（即硅），ZnO基材料含有位移型金属阳离子，这些阳离子不依赖于原子在空间的排列（即非晶或结晶）。相邻的大NS轨道直接重叠构成阳离子（在这里，n是主量子数）^[1，15]。这赋予了这种非晶氧化物半导体（AOS）许多诱人的特性，如透明度好、加工温度低和良好的流动性。如果透明AOS应用于柔性设备，在低温下进行处理就可以得到较高性能的设备。迄今为止，研究的金属氧化物半导体包括ZnO（氧化锌）、ZIO（锌铟氧化物）、ZTO（锌锡氧化物）、IZTO（铟锌锡氧化物）、GZTO（镓锌锡氧化物）、GZO（镓锌氧化物）、AZO（铝锌氧化物）和IGZO（铟镓锌氧化物）。

运用石墨对ZnO基薄膜进行打印时，通常有两种基本的溶体类型。第一种是将纳米颗粒悬浮其中的胶体分散体。这种纳米颗粒衍生物可以在较低的温度下沉积获得高纯度的结晶薄膜，但由于晶界散射和表面粗糙度的影响，颗粒沉积为颗粒膜，TFT的性能会受到负面的影响^[16]。另一种是化学溶液，包括溶胶凝胶、金属有机溶液和螯合物。特别是溶胶凝胶方法，该方法能够最好地控制前驱体物质的性质。溶胶凝胶溶液适合各种涂层和打印技术，如旋涂和喷墨打印。溶胶凝胶综合体包括化学前驱体、溶剂以及稳定剂。最近大多的工作集中在将金属氯化物、乙酸盐和乙酰丙酮盐溶解在有机溶剂中（如乙腈、乙二醇甲醚）。加入如甲酰胺、乙酸和乙醇胺稳定剂，可提高前驱体的溶解度和溶液稳定性。

2007年，Chang的团队首次展示了采用溶液处理制备的金属-绝缘体-半导体场效应晶体管（MISFET），由ZIO的喷墨打印薄膜作为沟道层。之后，他们展示了具有较高场效应迁移率（μ_sat≈30（cm²/Ⅴ）/s）的反转交错型铟锌锡氧化物的TFT，这比先前公布的喷墨打印氧化物晶体管的数据高了一个量级。该前驱体是采用金属氯化物在乙腈中600°C退火1h得到的^[17，18]。Schneide等人研究了单一来源的锌配合物前驱体，它包含一个肟基配位体，在低温下就能够得到致密的ZnO纳米晶。他们采用喷墨打印技术，在聚对苯二甲酸乙酯中150℃热固得到了高300nm、宽500μm的氧化锌。印制线显示出良好的机械稳定性和对聚合物基体良好的粘附性^[19]。最近，Kim的团队报道，将乙醇胺作稳定剂，二甲基乙醇作溶剂，使用金属醋酸盐和硝酸盐可以制得IGZO墨水。采用喷墨打印技术，在300dpi的分辨率和350Hz的频率下，在450℃下空气中退火1h，得到有源沟道区。采用该方法得到的IGZO-TFT的常规反交错结构表现出的导通/关断电流比约为5×10⁴，μ_sat值约为0.03（cm²/Ⅴ）/s，阈值电压约为6.2V，亚阈值斜率值约为1.50V/dec^[20]。(www.xing528.com)

相比于有机溶剂为基础的溶胶凝胶溶液，Meyers等人^[21]采用基于金属氨络合物的Zn氢氧化物前驱体溶液，在低温下制得了结晶ZnO，这种方法依赖于加速前述的水性前驱体溶液中的M-OH的相互作用。水性前驱体的方法可以减少有机配位体的用量，脱水和缩合反应后得到平滑且致密的薄膜^[22]。以类似的方法，Feischhacker等人^[23]用氧化锌粉末和氨水，在对聚萘二甲酸中制得了ZnO FET。本章作者的团队^[24]也通过将氢氧化锌直接溶解于氢氧化铵溶液中合成得到的水性无机前躯体，在140℃下用微波退火的结合方法，制得了电子迁移率的值约为1.7（cm²/V）/s的ZnO TFT。