硝酸辅助低温溶胶-凝胶法制备高稳定性SnO2 薄膜晶体管及其性能研究

研究人员针对金属氧化物薄膜晶体管（TFTs）在低温制备和环境稳定性方面的挑战，通过添加硝酸（HNO3 ）优化SnO2 溶胶-凝胶工艺，成功制备出高密度、低缺陷的非晶态SnO2 薄膜。该薄膜在300°C退火后表现出6.64 cm2 /Vs的场效应迁移率，较纯SnO2 提升20倍，并展现出优异的偏压稳定性和环境耐久性，为柔性电子和BEOL集成提供了新方案。

　　

在下一代显示技术和柔性电子器件领域，金属氧化物薄膜晶体管（TFTs）因其高迁移率和低功耗特性备受关注。然而，传统金属氧化物如In₂
O₃
和ZnO面临铟资源稀缺、高温退火（>500°C）限制塑料基底应用，以及环境敏感导致的性能退化等问题。SnO₂
虽具有高本征载流子迁移率和低温熔融特性，但其溶液法制备常需高温结晶且易受H_{2
吸附影响。针对这些挑战，一项发表于《Materials Today Advances》的研究提出了一种创新解决方案：通过硝酸（HNO3
）辅助溶胶-凝胶法，在300°C低温下制备高性能SnO2
TFTs。}

研究团队采用锡氯二水合物（SnCl₂
·2H₂
O）为前驱体，通过添加0.1-0.2 mL HNO₃
调控反应体系，结合旋涂、紫外臭氧处理和300°C退火工艺制备薄膜。利用X射线衍射（GIXRD）、X射线光电子能谱（XPS）和热重分析（TGA）等表征手段，系统研究了薄膜结构、化学组成及电学性能。

3.1 材料特性分析
研究发现，添加0.1 mL HNO₃
的SnO₂
薄膜呈现非晶态结构（GIXRD无衍射峰），厚度降至30.4 nm（SEM），密度显著提高（XRR临界角0.22°）。XPS证实其氧空位浓度最低（O_L
占比提升），且形成Sn-O-N键（N1s峰400.1 eV），表明HNO₃
促进了氧化并引入氮掺杂。TGA显示HNO₃
使SnO₂
转化温度从250°C降至200°C，证实其催化作用。

3.2 器件性能突破
基于0.1 mL HNO₃
的TFTs表现出6.64 cm²
/Vs的饱和迁移率，较未添加样品提升20倍，亚阈值摆幅（SS）降低至1.12 V/dec。这是由于高密度非晶结构减少了晶界散射，SnON形成降低了有效电子质量（m_e
*），且氧空位抑制降低了陷阱态密度（N_it
）。

3.3 稳定性机制
在正负偏压应力（PBS/NBS）测试中，HNO₃
改性器件阈值电压（V_th
）偏移<1 V，远优于纯SnO₂
器件（ΔV_th
达±12 V）。XPS揭示SnON和NO₃
^-
钝化表面缺陷，阻断了H₂
O吸附反应路径。环境暴露两个月后，器件性能仍保持稳定。

这项研究通过单一氧化剂HNO₃
的添加，同步解决了SnO₂
TFTs的低温制备、性能提升和环境稳定性难题。其提出的溶胶-凝胶工艺无需复杂后处理，为柔性显示、BEOL集成和透明电极提供了可扩展的解决方案，尤其适用于热敏感基底和长期户外应用的电子器件开发。