Abstract High-k oxide dielectric films have attracted intense interest for thin-film transistors (TFTs). However, high-quality oxide dielectrics were traditionally prepared by vacuum routes. Here, amorphous high-k alumina (Al2O3) thin films were prepared by the simple sol-gel spin-coating and post-annealing process. The microstructure and dielectric properties of Al2O3 dielectric films were systematically investigated. All the Al2O3 thin films annealed at 300–600 °C are in amorphous state with ultrasmooth surface (RMS ~ 0.2 nm) and high transparency (above 95%) in the visible range. The leakage current of Al2O3 films gradually decreases with the increase of annealing temperature. Al2O3 thin films annealed at 600 °C showed the low leakage current density down to 3.9 × 10−7 A/cm2 at 3 MV/cm. With the increase of annealing temperature, the capacitance first decreases then increases to 101.1 nF/cm2 (at 600 °C). The obtained k values of Al2O3 films are up to 8.2. The achieved dielectric properties of Al2O3 thin films are highly comparable with that by vapor and solution methods. Moreover, the fully solution-processed InZnO TFTs with Al2O3 dielectric layer exhibit high mobility of 7.23 cm2 V−1 s−1 at the low operating voltage of 3 V, which is much superior to that on SiO2 dielectrics with mobility of 1.22 cm2/V−1 s−1 at the operating voltage of 40 V. These results demonstrate that solution-processed Al2O3 thin films are promising for low-power and high-performance oxide devices.

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溶胶-凝胶处理的高 k 氧化铝介电膜，用于完全溶液处理的低压薄膜晶体管

摘要 高 k 氧化物介电薄膜引起了薄膜晶体管 (TFT) 的强烈兴趣。然而，高质量的氧化物电介质传统上是通过真空途径制备的。在这里，通过简单的溶胶-凝胶旋涂和后退火工艺制备了无定形高 k 氧化铝 (Al2O3) 薄膜。系统地研究了Al2O3介电薄膜的微观结构和介电性能。所有在 300-600 °C 下退火的 Al2O3 薄膜均处于非晶态，具有超光滑表面（RMS ~ 0.2 nm）和可见光范围内的高透明度（95% 以上）。随着退火温度的升高，Al2O3薄膜的漏电流逐渐减小。在 600 °C 下退火的 Al2O3 薄膜在 3 MV/cm 下显示出低至 3.9 × 10−7 A/cm2 的漏电流密度。随着退火温度的升高，电容首先下降，然后增加到 101.1 nF/cm2（600 °C）。所得Al2O3薄膜的k值高达8.2。Al2O3 薄膜获得的介电性能与气相和溶液法的介电性能具有高度可比性。此外，具有 Al2O3 介电层的完全溶液处理的 InZnO TFT 在 3 V 的低工作电压下表现出 7.23 cm2 V-1 s-1 的高迁移率，远优于迁移率为 1.22 cm2/V 的 SiO2 介电质-1 s-1 在 40 V 的工作电压下。这些结果表明，溶液处理的 Al2O3 薄膜有望用于低功率和高性能氧化物器件。Al2O3 薄膜获得的介电性能与气相和溶液法的介电性能具有高度可比性。此外，具有 Al2O3 介电层的完全溶液处理的 InZnO TFT 在 3 V 的低工作电压下表现出 7.23 cm2 V-1 s-1 的高迁移率，远优于迁移率为 1.22 cm2/V 的 SiO2 介电质-1 s-1 在 40 V 的工作电压下。这些结果表明，溶液处理的 Al2O3 薄膜有望用于低功率和高性能氧化物器件。Al2O3 薄膜获得的介电性能与气相和溶液法的介电性能具有高度可比性。此外，具有 Al2O3 介电层的完全溶液处理的 InZnO TFT 在 3 V 的低工作电压下表现出 7.23 cm2 V-1 s-1 的高迁移率，远优于迁移率为 1.22 cm2/V 的 SiO2 介电质-1 s-1 在 40 V 的工作电压下。这些结果表明，溶液处理的 Al2O3 薄膜有望用于低功率和高性能氧化物器件。