CN103236496B - 一种叠层结构的三端有源器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种叠层结构的三端有源器件，其特征在于，包括：一第一导电层；一第一绝缘层，设置于所述第一导电层上方；一纳米材料导电层，设置于所述第一绝缘层上方；一第二绝缘层，设置于所述纳米材料导电层上方；以及一第二导电层，设置于所述第二绝缘层上方；其中，在所述第一导电层和第二导电层之间施加一固定电压，以在所述第一导电层和第二导电层之间形成高密度电流，通过所述纳米材料导电层调制所述第一导电层和第二导电层之间的电流强度，从而实现所述纳米材料导电层对所述第一导电层和第二导电层导通与截止的调控。本发明的三端有源器件具有结构简单、易集成、高开口率、工作电流大、工作温度范围宽等优点。

Description

一种叠层结构的三端有源器件

技术领域

本发明涉及一种平板显示器件用的三端有源驱动器件，具体为一种金属-绝缘体-纳米材料-绝缘体-金属叠层结构的三端有源器件。

背景技术

平板显示器件的驱动方式和驱动器件性能对超高清显示品质具有重要的影响。平板显示器件依据其驱动方式的不同可分为无源(Passive Matrix, PM)和有源(Active Matrix, AM)两种类型。无源显示由于有占空比的问题，使扫描电极数受到限制，难以实现均匀、高亮度、高分辨率（清）显示以及低功率驱动。有源显示屏在每个像素上集成了开关元件，用以驱动发光点阵，从而克服了使用占空比小的脉冲信号带来的问题，有利于实现大面积、高分辨率的显示。因此，研究新型高性能有源驱动器件，对信息显示技术的发展以及增强我国信息产业核心竞争力具有重要的意义。

目前有源驱动矩阵的开关元件主要有单晶硅MOSFET、薄膜晶体管（TFT）等三端开关元件，以及金属-绝缘体-金属（MIM）型非线性二端元件。MOSFET因单晶硅晶片尺寸和成本因素，只适合于制作微型显示器件。TFT技术经过20多年的发展，工业生产已相当成熟，但制作工艺复杂、成本高。加之，对应一个像素往往需要多个TFT驱动源，导致开口率下降，功耗高。MIM二端器件结构简单、技术成熟、制备成本低、易实现精细化、开口率大，具有较好的稳定性和重复性。

但是，目前用于有源驱动的MIM二端元件是基于Pool-Frenkel（PF）效应工作，即在10-100 V/μm电场下，介质层内部陷阱电荷依靠场助热发射进入导带，进行传输。Pool-Frekel效应要求介质材料具有长程无序、短程有序、高缺陷密度等特点，此类介质材料具有高介电常数，导致MIM器件电容大，工作温度范围窄，且工作电流小。因此，该器件存在着明显的缺点：1）电容大，不利于驱动电压的充分利用，同时固有的电容耦合作用将使窜扰程度增加；2）工作电流小，不能应用于电流驱动型器件。若MIM二端器件在更高电场下工作（通常不低于1000 V/μm），其工作机制以Fowler-Nordheim（FN）内场发射效应为主导，可获得高密度发射电流，已成功应用于场发射电子源阵列。另一方面，FN-MIM器件适用于绝大多数介质材料，通过选用低介电常数的介质材料可以降低器件电容。因此，FN-MIM结构有望应用于大电流、低电容有源驱动器件中。同时，考虑到作为二端有源器件，MIM元件的阈值电压是像素电压的一部分，它的均匀性和稳定性将直接影响显示特性。提高像质的最好办法是采用三端有源器件，这是由于三端有源器件可以实现开关器件的控制电压和像素的驱动电压分开设置，可以各自选择最佳工作电压，以达到高像质的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种叠层结构的三端有源器件。

本发明采用以下方案实现：一种叠层结构的三端有源器件，其特征在于，包括：

一第一导电层；

一第一绝缘层，设置于所述第一导电层上方；

一纳米材料导电层，设置于所述第一绝缘层上方；

一第二绝缘层，设置于所述纳米材料导电层上方；以及

一第二导电层，设置于所述第二绝缘层上方；

其中，在所述第一导电层和第二导电层之间施加一固定电压，以在所述第一导电层和第二导电层之间形成高密度电流，通过所述纳米材料导电层调制所述第一导电层和第二导电层之间的电流强度，从而实现所述纳米材料导电层对所述第一导电层和第二导电层导通与截止的调控。

在本发明一实施例中，所述纳米材料导电层为单层或多层石墨烯，且其厚度小于10纳米；或者是由碳纳米管、金属纳米线或半导体纳米线平铺形成的网格结构的导电薄层，其厚度小于50纳米。

在本发明一实施例中，所述第一导电层和第二导电层采用具有低功函数的单一金属材料。

在本发明一实施例中，所述第一导电层和第二导电层采用至少两种金属材料的叠层。

在本发明一实施例中，所述第一导电层与第一绝缘层的接触层以及所述第二导电层与第二绝缘层的接触层采用的是具有低功函数的材料。

在本发明一实施例中，所述第一绝缘层和第二绝缘层所采用的是单一的绝缘材料。

在本发明一实施例中，所述第一绝缘层和第二绝缘层采用对所述纳米材料导电层的电学性能无影响的绝缘材料。

在本发明一实施例中，所述第一绝缘层和第二绝缘层所采用的是至少两种绝缘材料的叠层。

在本发明一实施例中，所述第一绝缘层与所述纳米材料导电层的接触层以及所述第二绝缘层与所述纳米材料导电层的接触层采用的是对所述纳米材料导电层的电学性能无影响的绝缘材料。

在本发明一实施例中，所述第一绝缘层和第二绝缘层的厚度为20-100纳米。

本发明在FN-MIM器件的基础上设计出一种新型的三端有源驱动器件，在介质层中引入一平行于上下电极的栅极，构建一种底电极-绝缘体-栅极-绝缘体-顶电极的叠层结构，以栅极电位调节器件内部的电势分布和电场强弱，从而达到对该三端有源器件上下电极的导通与关断的高效控制。本发明的三端有源器件具有结构简单、易集成、高开口率、工作电流大、工作温度范围宽等优点。

附图说明

图1是本发明第一实施例的截面图。

图2是本发明第一实施例的具体制作工艺流程图。

图3是本发明第二实施例的结构示意图。

图4是本发明第三实施例的结构示意图。

图5是本发明第四实施例的结构示意图。

附图标号说明：110——基板；120——第一导电层；121——第一导电过渡层；130——第一绝缘层；131——第一绝缘过渡层；140——纳米材料导电层；150——第二绝缘层；151——第二绝缘过渡层；160——第二导电层；161——第二导电过渡层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。在图中，为了清楚放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。在此，参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状，而是包括所得到的形状，比如制造引起的偏差。在本实施例中均以矩形表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本发明的范围。

本发明提供一种叠层结构的三端有源器件，其特征在于，包括：

一第一导电层；

一第一绝缘层，设置于所述第一导电层上方；

一纳米材料导电层，设置于所述第一绝缘层上方；

一第二绝缘层，设置于所述纳米材料导电层上方；以及

一第二导电层，设置于所述第二绝缘层上方；

其中，在所述第一导电层和第二导电层之间施加一固定电压，以在所述第一导电层和第二导电层之间形成高密度电流，通过所述纳米材料导电层调制所述第一导电层和第二导电层之间的电流强度，从而实现所述纳米材料导电层对所述第一导电层和第二导电层导通与截止的调控。

本发明中该三端有源器件工作过程如下：在上下电极上施加电压形成电场，栅极上施加正偏压，在发射极表面形成强电场，基于内场致发射效应，电子由发射极发射，依次穿过绝缘层、栅极、绝缘层，到达阳极，等效“开”状态；反之，在栅极上施加负偏压，削弱发射极表面电场，抑制表面电子发射，等效“关”状态。

基于该器件的结构特点，用于制作栅极的材料除了具有良好的导电性外，还必须为具有稳定结构、高电子透过率的纳米材料。本发明提出一种基于“金属-绝缘体-纳米材料-绝缘体-金属”结构的有源驱动器件。该元件既具有三端有源驱动器件的优势，保留传统MIM元件的易集成、高开口率特点，又具有工作电流大、工作温度范围宽，开关比大，响应速度快等优点。

下面结合图1和图2对本发明优选的第一实施例的一种基于金属-绝缘体-纳米材料-绝缘体-金属叠层结构的三端有源器件及其制造方法进行阐述。

本发明第一实施例所提供的一种金属-绝缘体-纳米材料-绝缘体-金属叠层结构的三端有源器件包括设置于基板110上的第一导电层120，设置于所述第一导电层120上的第一绝缘层130，设置于所述第一绝缘层130上的纳米材料导电层140，设置于所述纳米材料导电层140上的第二绝缘层150，和设置于所述第二绝缘层150上的第二导电层160，其制备方法包括下列步骤：

步骤一，在基板110上形成第一导电层120。

在该步骤中，第一导电层120所用材料可以选用Cu，W，Co，Ni，Ta，TaN，Ti，Zn，Al，Cr一种金属电极或者两种及其以上的组合的复合金属电极，也可以是P型硅材料。可以通过物理气相沉积、化学气相沉积或者电化学沉积等方法形成。该电极可以选择形成在玻璃衬底表面，也可以选择形成在其他柔性衬底材料上。电极的宽度、厚度等参数不是限制性的，本领域的技术人员可以根据具体情况做出选择。第一导电层120的构图形成可以通过光刻工艺步骤实现。本实施例优选采用磁控溅射方法制作Al金属膜及后续光刻工艺形成第一导电层120。

步骤二，在第一导电层120上沉积第一绝缘层130。

在该步骤中，所用的材料可以是SiO₂、Ta₂O₅、AlN、Al₂O₃、Si₃N₄、BN、TiO₂中的一种或者两种及其以上的组合。可以通过物理气相沉积、化学气相沉积或者电化学沉积等方法形成。第一绝缘层的厚度为20-100nm，本领域的技术人员可以根据具体情况做出选择。本实施例优选采用磁控溅射方法制作30nm厚的SiO₂膜及后续光刻工艺形成第一绝缘层130。

步骤三, 在第一绝缘层130表面形成纳米材料导电层140。

在该步骤中，优选的，采用化学气相沉积法制备石墨烯作为纳米材料导电层140。具体为：在1000^oC及高真空下, 以甲烷、 氢气及氩气混合气为反应气，在较短的时间内在铜片表面制备了石墨烯；在长有石墨烯的铜片表面旋涂一层感光胶；腐蚀铜片，从而得到脱离基片的一面粘附有石墨烯层的感光胶薄膜；将粘附有石墨烯层的感光胶薄膜贴在第一绝缘层130表面，并使石墨烯层与第一绝缘层130接触，加热使感光胶层与第一绝缘层130紧密接触；最后去除感光胶，得到第一绝缘层130表面的石墨烯导电层140。

其中，本实施例中纳米材料导电层所用材料也可以采用一维结构的碳纳米管、金属纳米线或半导体纳米线，其制备方法为：将一维纳米结构分散在溶液中，采用喷涂、旋涂或印刷等工艺，将纳米线或纳米管平铺在介质层上，纳米线或纳米管相互交叉接触，形成具有网络状结构的导电薄层。

步骤四，在纳米材料导电层140上沉积第二绝缘层150。

在该步骤中，所用的材料可以是SiO₂、Ta₂O₅、AlN、Al₂O₃、Si₃N₄、BN、TiO₂中的一种或者两种及其以上的组合。可以通过物理气相沉积、化学气相沉积或者电化学沉积等方法形成。第二绝缘层的厚度为20-100nm，本领域的技术人员可以根据具体情况做出选择。本实施例优选采用磁控溅射方法制作30nm厚的SiO₂膜及后续光刻工艺形成第二绝缘层150。

步骤五，在第二绝缘层150上形成第二导电层160。

在该步骤中，第二导电层160所用材料可以选用Cu，W，Co，Ni，Ta，TaN，Ti，Zn，Al，Cr一种金属电极或者两种及其以上的组合的复合金属电极，也可以是P型硅材料。可以通过物理气相沉积、化学气相沉积或者电化学沉积等方法形成。该电极可以选择形成在玻璃衬底表面，也可以选择形成在其他柔性衬底材料上。电极的宽度、厚度等参数不是限制性的，本领域的技术人员可以根据具体情况做出选择。第二导电层160的构图形成可以通过光刻工艺步骤实现。本实施例优选采用磁控溅射方法制作Al金属膜及后续光刻工艺形成第二导电层160。

至此，一种金属-绝缘体-纳米材料-绝缘体-金属叠层结构的三端有源器件制备形成。以上制备方法工艺简单、过程易于与现有的平板显示器件制造工艺兼容，可实现大规模化工业生产。

为了保持纳米材料导电层140的优异电学特性，本发明第一实施例中，第一绝缘层130和第二绝缘层150采用对纳米材料导电层140的电学性能无影响的绝缘材料；在本发明第二实施例中，对本发明第一实施例进行改良，第一绝缘层130和第二绝缘层150所采用的是至少两种绝缘材料的叠层，且第一绝缘层130中与纳米材料导电层140的接触层（即第一绝缘过渡层131）以及第二绝缘层150中与纳米材料导电层140的接触层（即第二绝缘过渡层151）采用的是对纳米材料导电层140的电学性能无影响的绝缘材料。如图3所示，包括设置于基板110上的第一导电层120，设置于第一导电层120上的第一绝缘层130，设置于第一绝缘层130上的第一绝缘过渡层131，设置于第一绝缘过渡层131上的纳米材料导电层140，设置于纳米材料导电层140上的第二绝缘过渡层151，设置于第二绝缘过渡层151上的第二绝缘层150，和设置于第二绝缘层150上的第二导电层160。

其中，在第一绝缘层130上沉积第一绝缘过渡层131；所用的过渡层材料对纳米材料导电层的电学性能无明显破坏，所选用的材料可以是但不限于Al₂O₃或TiO₂，可以通过物理气相沉积、化学气相沉积或者电化学沉积等方法形成。第一绝缘过渡层的厚度为5-10nm，本领域的技术人员可以根据具体情况做出选择。本实施例优选采用电子束蒸镀沉积10nm厚的Al₂O₃膜形成第一绝缘过渡层131。在纳米材料导电层140上沉积第二绝缘过渡层151；所用的过渡层材料对纳米材料的电学性能无明显破坏，所选用的材料可以是但不限于Al₂O₃或TiO₂，可以通过物理气相沉积、化学气相沉积或者电化学沉积等方法形成。第一绝缘过渡层的厚度为5-10nm，本领域的技术人员可以根据具体情况做出选择。本实施例优选采用电子束蒸镀沉积10nm厚的Al₂O₃膜形成第二绝缘过渡层151。

为了降低第一导电层120和第二导电层160的表面功函数，提高其发射电流密度，在本发明第一实施例中，第一导电层120和第二导电层160采用具有低功函数的单一金属材料；在本发明三实施例中，对本发明第一实施例进行改良，第一导电层120和第二导电层160采用至少两种金属材料的叠层，且第一导电层120与第一绝缘层130的接触层（即第一导电过渡层121）以及第二导电层160与第二绝缘层150的接触层（第二导电过渡层161）采用的是具有低功函数的材料。如图4所示，包括设置于基板110上的第一导电层120，设置于第一导电层120上的第一导电过渡层121，设置于第一导电过渡层121上的第一绝缘层130，设置于第一绝缘层130上的纳米材料导电层140，设置于纳米材料导电层140上的第二绝缘层150，设置于第二绝缘层150上的第二导电过渡层161，和设置于第二导电过渡层161上的第二导电层。

其中，在第一导电层120上形成第一导电过渡层121；所用的过渡层材料具有低功函数，所选用的材料可以是但不限于镁银合金、AlN或GaN，可以通过物理气相沉积、化学气相沉积或者电化学沉积等方法形成。第一导电过渡层的厚度为5-10nm，本领域的技术人员可以根据具体情况做出选择。本实施例优选采用脉冲激光沉积10nm厚的AlN膜形成第一导电过渡层121。

在第二绝缘层150上形成第二导电过渡层161；所用的过渡层材料具有低功函数，所选用的材料可以是但不限于镁银合金、AlN或GaN，可以通过物理气相沉积、化学气相沉积或者电化学沉积等方法形成。第二导电过渡层的厚度为5-10nm，本领域的技术人员可以根据具体情况做出选择。本实施例优选采用脉冲激光沉积10nm厚的AlN膜形成第二导电过渡层161。

如图5所示，本发明第四实施例中，包括设置于基板110上的第一导电层120，设置于第一导电层120上的第一导电过渡层121，设置于第一导电过渡层121上的第一绝缘层130，设置于第一绝缘层130上的第一绝缘过渡层131，设置于第一绝缘层过渡层131上的纳米材料导电层140，设置于导电纳米材料层140上的第二绝缘过渡层151，设置于第二绝缘过渡层151上的第二绝缘层150，设置于第二绝缘层150上的第二导电过渡层161，和设置于第二导电过渡层161上的第二导电层。

在本发明中，第一绝缘层与纳米材料导电层的接触面、第二绝缘层与纳米材料导电层的接触面、第一导电层与第一绝缘层的接触面以及第二导电层与第二绝缘层的接触面是平整的，此外，第一导电层与第一绝缘层的接触面以及第二导电层与第二绝缘层的接触面也可以具有一凸起结构。

以上例子主要说明了本发明的一种叠层结构的三端有源器件及其制备方法。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施例方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1. 一种叠层结构的三端有源器件，其特征在于，包括：

一第一导电层；

一第一绝缘层，设置于所述第一导电层上方；

一纳米材料导电层，设置于所述第一绝缘层上方；

一第二绝缘层，设置于所述纳米材料导电层上方；以及

一第二导电层，设置于所述第二绝缘层上方；

其中，在所述第一导电层和第二导电层之间施加一固定电压，以在所述第一导电层和第二导电层之间形成高密度电流，通过所述纳米材料导电层调制所述第一导电层和第二导电层之间的电流强度，从而实现所述纳米材料导电层对所述第一导电层和第二导电层导通与截止的调控；所述纳米材料导电层为单层或多层石墨烯，其厚度小于10纳米；或者是由碳纳米管、金属纳米线或半导体纳米线平铺形成的网格结构的导电薄层，其厚度小于50纳米。

2.根据权利要求1所述的一种叠层结构的三端有源器件，其特征在于：所述第一导电层和第二导电层采用至少两种金属材料的叠层。

3.根据权利要求2所述的一种叠层结构的三端有源器件，其特征在于：所述第一导电层与第一绝缘层的接触层以及所述第二导电层与第二绝缘层的接触层采用的是具有低功函数的材料。

4.根据权利要求1所述的一种叠层结构的三端有源器件，其特征在于：所述第一绝缘层和第二绝缘层所采用的是单一的绝缘材料。

5.根据权利要求4所述的一种叠层结构的三端有源器件，其特征在于：所述第一绝缘层和第二绝缘层采用对所述纳米材料导电层的电学性能无影响的绝缘材料。

6.根据权利要求1所述的一种叠层结构的三端有源器件，其特征在于：所述第一绝缘层和第二绝缘层所采用的是至少两种绝缘材料的叠层。

7.根据权利要求6所述的一种叠层结构的三端有源器件，其特征在于：所述第一绝缘层与所述纳米材料导电层的接触层以及所述第二绝缘层与所述纳米材料导电层的接触层采用的是对所述纳米材料导电层的电学性能无影响的绝缘材料。

8.根据权利要求1所述的一种叠层结构的三端有源器件，其特征在于：所述第一绝缘层和第二绝缘层的厚度为20-100纳米。