[发明专利]一种具有纳米结构的非晶氧化物半导体薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有纳米结构的非晶氧化物半导体薄膜，该薄膜包括连续薄膜层和纳米结构层，连续薄膜层直接生长在衬底上；纳米结构层为连续薄膜层的纵向自然延伸，呈现间隔分布的凸起峰和凹陷坑。该薄膜为非晶氧化物半导体ZnTiSnO薄膜。本发明还公开了该薄膜的制备方法，采用溶液化学方法，步骤包括将Zn(NO₃)₂·6H₂O、SnCl₂·2H₂O+NH₄NO₃及C₁₂H₂₈O₄Ti+NH₄NO₃分别溶解于二甲氧基乙醇溶剂中，分别加入乙酰丙酮、氨水溶液配成前驱体溶液，配得溶胶，然后旋涂于衬底上，并退火处理。该非晶氧化物半导体薄膜因为具有纳米结构，具有大的比表面积，有望应用于生物传感、气敏、紫外探测等领域。

技术领域

本发明涉及一种非晶氧化物半导体薄膜及其制备方法，尤其涉及一种具有纳米结构的非晶氧化物半导体薄膜及其制备方法。

背景技术

非晶氧化物半导体（AOS）是一种新型的功能氧化物材料。2004年，日本KenjiNomura研究组在Nature上发表论文，发现了InGaZnO非晶氧化物半导体薄膜，并以此为沟道层制备出薄膜晶体管。此后，非晶氧化物半导体引起了人们的广泛关注，与非晶氧化物半导体薄膜相关的研究报道迅速增加。目前，非晶氧化物半导体薄膜的目标应用领域主要是新一代显示技术，如大面积高清晰显示、平板显示、透明显示等，因此，人们研究和开发的非晶氧化物半导体薄膜均是表面非常平整的薄膜材料，以满足现代显示技术对高均匀性、高分辨和高帧率的要求。如附图1所示为文献中的非晶氧化物半导体ZnSnO薄膜的断面SEM图，图中1为衬底，2为非晶氧化物半导体ZnSnO薄膜，由图可以看到该薄膜呈现连续致密平整的形貌特点 [H. Q. Chiang, et al., Appl. Phys. Lett., 2005, 86: 013503]，没有任何形式的纳米结构。附图1所呈现的正是目前开发的非晶氧化物半导体薄膜典型的结构形貌。

非晶氧化物半导体薄膜还可应用于传感领域，如气敏、湿敏和生物传感等领域。目前，已有报道非晶氧化物半导体薄膜用于生物传感领域，也有稍许报道了非晶氧化物半导体薄膜对湿度的敏感特性，对非晶氧化物半导体薄膜气敏特性的报道很少，但无论是用于哪种传感领域，这些报道的非晶氧化物半导体薄膜基本都是表面非常平整的薄膜材料。理论上，传感材料要求有较大的比表面积，以提高其对气体探测的灵敏度，因此这种表面平整的薄膜因比表面积不大而使其探测灵敏度受到很大限制。

基于传感材料对较大比表面积的要求，目前常用的传感材料大多都是纳米材料，将纳米材料涂覆在基底上，制作出传感器件。基于纳米材料的传感器件灵敏度较高，可探测微量气体，但也有一些弊端，比如响应时间较长，难以小型化和集成化。与纳米材料不同，薄膜是一种与微电子技术和平面工艺相兼容的材料，易于小型化和集成化，因而，若用薄膜材料制作传感器件，则应用前景非常广泛。

在薄膜材料中，可大致分为单晶薄膜、多晶薄膜、非晶薄膜。单晶薄膜因制备工艺极其苛刻，成本很高，不利于应用。多晶薄膜制备工艺相对简单，成本适中；但因薄膜为多晶态，即薄膜由很多晶粒排列而成，晶粒间存在很多晶界，晶粒和晶界对气体的敏感程度和感应特性有很大区别，因而多晶薄膜制作的传感器件成品率不高，而且传感性能一致性和稳定性有所欠缺。非晶薄膜制备工艺简单，生长温度低，甚至可以在室温下生长，因而制作成本低，产品成本低；此外，非晶薄膜不存在晶界，薄膜均匀性高，因此在所有的薄膜类型中，非晶薄膜最适合于批量化生产，产品成品率高，而且易于小型化和集成化，可满足柔性产品的需求，符合智能化和可穿戴的发展趋势。