CN107611172A - 一种异质介质层柔性底栅晶体管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种异质介质层柔性底栅晶体管及制备方法，包括依次设置有柔性PET衬底、栅极ITO导电薄膜、BSM异质介质层和硅纳米薄膜层，硅纳米薄膜层的上端面设置有：源极金属、左侧漏极金属以及右侧漏极金属，硅纳米薄膜层和BSM异质介质层内上下贯通的形成有直通到栅极ITO导电薄膜上端面的栅极连接孔，硅纳米薄膜层内嵌入有左侧漏极掺杂区、源极掺杂区和右侧漏极掺杂区。方法是在涂有ITO导电层的PEN衬底上采用磁控溅射的方法涂上一层BSM异质介质栅层作为栅氧，接下来通过设计制备好的掩膜版层层光刻在SOI上转移下来的硅纳米膜上制备栅极与金属电极，本发明能够实现在较高频率工作的高性能柔性异质介质层上的晶体管制备，在大规模柔性集成电路中有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种晶体管。特别是涉及一种异质介质层柔性底栅晶体管及制备方法。
背景技术
柔性电子是将有机、无机材料电子器件制作在柔性、可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子科技，在信息、能源、医疗、国防等领域都具有广泛应用。如印刷RFID、电子用表面粘贴、有机发光二极管OLED、柔性电子显示器等。与传统IC技术一样，柔性电子技术发展的主要驱动力是制造工艺和装备。在更大幅面的基板上以更低的成本制造出特征尺寸更小的柔性电子器件成为了制造的关键。柔性电子技术有可能带来一场电子技术革命，美国《科学》杂志将有机电子技术进展的重要性与人类基因组草图、生物克隆技术等重大发现并列。柔性TFT晶体管成为柔性电路开发必不可少的条件。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种在较为简便的工艺中设计并制备底栅结构可工作在较高频率的异质介质层柔性底栅晶体管及制备方法。
本发明所采用的技术方案是：一种异质介质层柔性底栅晶体管，包括柔性PET衬底和设置在所述柔性PET衬底上端面的栅极ITO导电薄膜，所述栅极ITO导电薄膜上端面设置有BSM异质介质层，所述BSM异质介质层上端面设置有硅纳米薄膜层，所述硅纳米薄膜层的上端面分别设置有：位于中部的源极金属，位于所述源极金属左侧的左侧漏极金属，以及位于所述源极金属右侧的右侧漏极金属，相连接的硅纳米薄膜层和BSM异质介质层内上下贯通的形成有直通到栅极ITO导电薄膜上端面的栅极连接孔，所述的硅纳米薄膜层内嵌入有对应所述左侧漏极金属的左侧漏极掺杂区、对应源极金属的源极掺杂区和对应右侧漏极金属的右侧漏极掺杂区。
所述左侧漏极掺杂区的上端面连接所述左侧漏极金属的下端面，所述源极掺杂区的上端面连接所述源极金属的下端面，所述右侧漏极掺杂区的上端面连接所述右侧漏极金属的下端面，所述左侧漏极掺杂区、源极掺杂区和右侧漏极掺杂区的下端面均连接所述BSM异质介质层的上端面。
所述的左侧漏极掺杂区、源极掺杂区和右侧漏极掺杂区均为N型掺杂区。
一种异质介质层柔性底栅晶体管的制备方法，包括如下步骤：
1)选用PEN作为衬底，在超声波清洗器中采用丙酮进行清洗5分钟，随后用异丙醇在超声波清洗器中将丙酮清洗干净，得到清洁的衬底；
2)采用磁控溅射在PET衬底上依次镀上厚度为100nm的ITO透明导电膜构成ITO透明导电层以及厚度为100nm的BSM底部介质栅膜构成介质层；
3)选用SOI材料，在超声波清洗器中采用丙酮进行清洗，随后采用异丙醇洗净丙酮残留物，吹干SOI；
4)产生源漏掺杂区；
5)产生用于通过氢氟酸刻蚀SOI中SiO2的孔层；
6)在3:1的氢氟酸溶液中，放入步骤5)得到的SOI，两小时后SOI上的SiO2层被腐蚀干净，随后SOI中的硅纳米膜层脱落，将硅纳米膜层打捞之后粘附于镀好膜的PET衬底之上，烘干；
7)形成栅极；
8)对PEN去光刻胶，然后对PET上的器件涂上光刻胶，并使用匀胶机将光刻胶甩均匀，之后，根据栅极的对准标记进行对准光刻，形成晶体管的源漏金属电极图案；
9)采用蒸发金靶材的方式对形成的源漏金属电极图案进行金属蒸发，在硅纳米膜上镀一层金电极，得到异质介质层柔性底栅晶体管。
在SOI表面涂上1813正型光刻胶，并使用匀胶机，以4K转速转30S将光刻胶甩均匀，随后使用光刻机以及制作好的掩膜版进行光刻形成特性的掺杂区图案，随后采用离子注入的方式在40Kev能量和4*1015cm2的剂量下进行N型注入，在850°下，高温热退火30分钟之后，在丙酮溶液中除去光刻胶。
所述的掺杂区图案是N型掺杂区的图案。
步骤5)包括：按照掩膜版上做好的对准标记，将源漏掺杂区与间距5um排列的正方形孔层进行对准光刻，显影后在SOI上形成间距5um排列的正方形通孔，随后采用离子刻蚀的方式将正方形通孔上的硅去除，随后去除光刻胶。
步骤7)包括：在粘附到PEN上的硅纳米膜上涂胶，用匀胶机甩均匀之后，将形成在硅纳米膜上的正方形通孔上的对齐标记与掩膜版上相应的对齐标记对齐后，对PEN进行光刻，形成晶体管的栅极，随后采用离子刻蚀的方式，分别对硅纳米膜以及介质层刻蚀，随后采用金属蒸发的方式在栅极沉积金属层，与ITO透明导电层形成欧姆接触。
本发明的一种异质介质层柔性底栅晶体管及制备方法，采用磁控溅射镀导电膜以及异质介质层氧化物膜，光刻后离子刻蚀以及HF湿法刻蚀的技术，将SOI上的硅纳米膜剥离以及转移到柔性可弯曲PEN衬底上，随后通过层层光刻以及刻蚀的方式形成一个底部栅极控制双沟道结构晶体管。能够实现在较高频率工作的高性能柔性异质介质层上的晶体管的制备。本发明的晶体管有较好的性能以及较高的工作频率，在大规模柔性集成电路中具有广泛的应用前景。将来有望在可穿戴电子，生物医疗，图像通信等方面取得广泛应用。
附图说明
图1是本发明一种异质介质层柔性底栅晶体管的侧视图；
图2是本发明一种异质介质层柔性底栅晶体管的俯视图；
图3是本发明一种异质介质层柔性底栅晶体管工作的转移特性曲线图；
图4是本发明一种异质介质层柔性底栅晶体管工作的输出特性曲线图。
图中
1：柔性PET衬底 2：栅极ITO导电薄膜
3：BSM异质介质层 4：硅纳米薄膜层
5：左侧漏极金属 6：源极金属
7：右侧漏极金属 8：左侧漏极掺杂区
9：源极掺杂区 10：右侧漏极掺杂区
11：栅极连接孔 12：栅极电压为1.5V的输出曲线
13：栅极电压为2V的输出曲线 14：栅极电压为2.5V的输出曲线
15：栅极电压为3V的输出曲线 16：栅极电压为3.5V的输出曲线
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种异质介质层柔性底栅晶体管及制备方法做出详细说明。
如图1、图2所示，本发明的一种异质介质层柔性底栅晶体管，包括柔性PET衬底1和设置在所述柔性PET衬底1上端面的栅极ITO导电薄膜2，所述栅极ITO导电薄膜2上端面设置有BSM异质介质层3，所述BSM异质介质层3上端面设置有硅纳米薄膜层4，所述硅纳米薄膜层4的上端面分别设置有：位于中部的源极金属6，位于所述源极金属6左侧的左侧漏极金属5，以及位于所述源极金属6右侧的右侧漏极金属7，相连接的硅纳米薄膜层4和BSM异质介质层3内上下贯通的形成有直通到栅极ITO导电薄膜2上端面的栅极连接孔11，所述的硅纳米薄膜层4内嵌入有对应所述左侧漏极金属5的左侧漏极掺杂区8、对应源极金属6的源极掺杂区9和对应右侧漏极金属7的右侧漏极掺杂区10。所述的左侧漏极掺杂区8、源极掺杂区9和右侧漏极掺杂区10均为N型掺杂区。
所述左侧漏极掺杂区8的上端面连接所述左侧漏极金属5的下端面，所述源极掺杂区9的上端面连接所述源极金属6的下端面，所述右侧漏极掺杂区10的上端面连接所述右侧漏极金属7的下端面，所述左侧漏极掺杂区8、源极掺杂区9和右侧漏极掺杂区10的下端面均连接所述BSM异质介质层3的上端面。
本发明的一种异质介质层柔性底栅晶体管的工作原理：在栅极ITO导电薄膜2施加一定的偏压之后，在BSM异质介质层3产生一个纵向电场，当电压足够大时，硅纳米薄膜层4将在与BSM异质介质层3接触的表面处产生电子反型层，原本晶体中空穴居多的硅纳米薄膜层表面，将产生电子数大于空穴数的表面反型区，此区域称之为器件的沟道区，随后，在左侧漏极掺杂区8、源极掺杂区9和右侧漏极掺杂区10的左侧漏极金属5、源极金属6和右侧漏极金属7施加偏压，会产生源漏之间的电流，器件导通。当栅极ITO导电薄膜2上电压较小或者无偏压时，硅纳米薄膜层由于没有反型层的产生，即使在左侧漏极金属、源极金属和右侧漏极金属之间添加电压，源极掺杂区9和左侧漏极掺杂区8及右侧漏极掺杂区10之间也不会产生电流，器件关断。而本发明采用两个沟道，三个掺杂区的设计方式，使得器件有较高的集成度，以及更为广泛范围的使用。此外，本发明是集成在塑料衬底上的晶体管器件，当塑料衬底弯曲时，依旧可以满足器件的正常工作，可以在智能穿戴，人工皮肤，生物医疗等方面取得更为广泛的应用。
图3是本发明一种异质介质层柔性底栅晶体管工作的转移特性曲线图，如图3所示，当栅极电压较小时，漏极电流为0，器件关断，当栅极电压慢慢增大时，漏极电流增大，器件导通。该特性图反映了器件的良好的开关特性；
图4是本发明一种异质介质层柔性底栅晶体管工作的输出特性曲线图，如图4所示，当栅极电压固定时，漏极电流随着漏极电压先增大后平稳，并且工作曲线会随着栅极电压增大而提高，该特性图反映了器件良好的工作特性。
本发明的一种异质介质层柔性底栅晶体管的制备方法，包括如下步骤：
1)选用PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)作为衬底，在超声波清洗器中采用丙酮进行清洗5分钟，随后用异丙醇在超声波清洗器中将丙酮清洗干净，得到清洁的衬底；
2)采用磁控溅射在PET衬底上依次镀上厚度为100nm的ITO透明导电膜构成ITO透明导电层以及厚度为100nm的BSM底部介质栅膜构成介质层；
3)选用SOI(绝缘体上硅)材料，在超声波清洗器中采用丙酮进行清洗，随后采用异丙醇洗净丙酮残留物，吹干SOI；
4)产生源漏掺杂区；包括：
在SOI表面涂上1813正型光刻胶，并使用匀胶机，以4K转速转30S将光刻胶甩均匀，随后使用光刻机以及制作好的掩膜版进行光刻形成特性的掺杂区图案，所述的掺杂区图案是N型掺杂区的图案。随后采用离子注入的方式在40Kev能量和4*1015cm2的剂量下进行N型注入，在850°下，高温热退火30分钟之后，在丙酮溶液中除去光刻胶。
5)产生用于通过氢氟酸刻蚀SOI中SiO2的孔层；包括：
按照掩膜版上做好的对准标记，将源漏掺杂区与间距5um排列的正方形孔层进行对准光刻，显影后在SOI上形成间距5um排列的正方形通孔，随后采用离子刻蚀的方式将正方形通孔上的硅去除，随后去除光刻胶。
6)在3:1的氢氟酸溶液中，放入步骤5)得到的SOI，两小时后SOI上的SiO2层被腐蚀干净，随后SOI中的硅纳米膜层脱落，将硅纳米膜层打捞之后粘附于镀好膜的PET衬底之上，烘干；
7)形成栅极；包括：
在粘附到PEN上的硅纳米膜上涂胶，用匀胶机甩均匀之后，将形成在硅纳米膜上的正方形通孔上的对齐标记与掩膜版上相应的对齐标记对齐后，对PEN进行光刻，形成晶体管的栅极，随后采用离子刻蚀的方式，分别对硅纳米膜以及介质层刻蚀，随后采用金属蒸发的方式在栅极沉积金属层，与ITO透明导电层形成欧姆接触。
8)对PEN去光刻胶，然后对PET上的器件涂上光刻胶，并使用匀胶机将光刻胶甩均匀，之后，根据栅极的对准标记进行对准光刻，形成晶体管的源漏金属电极图案；
9)采用蒸发金靶材的方式对形成的源漏金属电极图案进行金属蒸发，在硅纳米膜上镀一层金电极，得到异质介质层柔性底栅晶体管。
Claims (8)
1.一种异质介质层柔性底栅晶体管，包括柔性PET衬底(1)和设置在所述柔性PET衬底(1)上端面的栅极ITO导电薄膜(2)，其特征在于，所述栅极ITO导电薄膜(2)上端面设置有BSM异质介质层(3)，所述BSM异质介质层(3)上端面设置有硅纳米薄膜层(4)，所述硅纳米薄膜层(4)的上端面分别设置有：位于中部的源极金属(6)，位于所述源极金属(6)左侧的左侧漏极金属(5)，以及位于所述源极金属(6)右侧的右侧漏极金属(7)，相连接的硅纳米薄膜层(4)和BSM异质介质层(3)内上下贯通的形成有直通到栅极ITO导电薄膜(2)上端面的栅极连接孔(11)，所述的硅纳米薄膜层(4)内嵌入有对应所述左侧漏极金属(5)的左侧漏极掺杂区(8)、对应源极金属(6)的源极掺杂区(9)和对应右侧漏极金属(7)的右侧漏极掺杂区(10)。
2.根据权利要求1所述的一种异质介质层柔性底栅晶体管，其特征在于，所述左侧漏极掺杂区(8)的上端面连接所述左侧漏极金属(5)的下端面，所述源极掺杂区(9)的上端面连接所述源极金属(6)的下端面，所述右侧漏极掺杂区(10)的上端面连接所述右侧漏极金属(7)的下端面，所述左侧漏极掺杂区(8)、源极掺杂区(9)和右侧漏极掺杂区(10)的下端面均连接所述BSM异质介质层(3)的上端面。
3.根据权利要求1所述的一种异质介质层柔性底栅晶体管，其特征在于，所述的左侧漏极掺杂区(8)、源极掺杂区(9)和右侧漏极掺杂区(10)均为N型掺杂区。
4.一种权利要求1所述的异质介质层柔性底栅晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)选用PEN作为衬底，在超声波清洗器中采用丙酮进行清洗5分钟，随后用异丙醇在超声波清洗器中将丙酮清洗干净，得到清洁的衬底；
2)采用磁控溅射在PET衬底上依次镀上厚度为100nm的ITO透明导电膜构成ITO透明导电层以及厚度为100nm的BSM底部介质栅膜构成介质层；
3)选用SOI材料，在超声波清洗器中采用丙酮进行清洗，随后采用异丙醇洗净丙酮残留物，吹干SOI；
4)产生源漏掺杂区；
5)产生用于通过氢氟酸刻蚀SOI中SiO2的孔层；
6)在3:1的氢氟酸溶液中，放入步骤5)得到的SOI，两小时后SOI上的SiO2层被腐蚀干净，随后SOI中的硅纳米膜层脱落，将硅纳米膜层打捞之后粘附于镀好膜的PET衬底之上，烘干；
7)形成栅极；
8)对PEN去光刻胶，然后对PET上的器件涂上光刻胶，并使用匀胶机将光刻胶甩均匀，之后，根据栅极的对准标记进行对准光刻，形成晶体管的源漏金属电极图案；
9)采用蒸发金靶材的方式对形成的源漏金属电极图案进行金属蒸发，在硅纳米膜上镀一层金电极，得到异质介质层柔性底栅晶体管。
5.根据权利要求4所述的异质介质层柔性底栅晶体管的制备方法，其特征在于，步骤4)包括：在SOI表面涂上1813正型光刻胶，并使用匀胶机，以4K转速转30S将光刻胶甩均匀，随后使用光刻机以及制作好的掩膜版进行光刻形成特性的掺杂区图案，随后采用离子注入的方式在40Kev能量和4*1015cm2的剂量下进行N型注入，在850°下，高温热退火30分钟之后，在丙酮溶液中除去光刻胶。
6.根据权利要求5所述的异质介质层柔性底栅晶体管的制备方法，其特征在于，所述的掺杂区图案是N型掺杂区的图案。
7.根据权利要求4所述的异质介质层柔性底栅晶体管的制备方法，其特征在于，步骤5)包括：按照掩膜版上做好的对准标记，将源漏掺杂区与间距5um排列的正方形孔层进行对准光刻，显影后在SOI上形成间距5um排列的正方形通孔，随后采用离子刻蚀的方式将正方形通孔上的硅去除，随后去除光刻胶。
8.根据权利要求4所述的异质介质层柔性底栅晶体管的制备方法，其特征在于，步骤7)包括：在粘附到PEN上的硅纳米膜上涂胶，用匀胶机甩均匀之后，将形成在硅纳米膜上的正方形通孔上的对齐标记与掩膜版上相应的对齐标记对齐后，对PEN进行光刻，形成晶体管的栅极，随后采用离子刻蚀的方式，分别对硅纳米膜以及介质层刻蚀，随后采用金属蒸发的方式在栅极沉积金属层，与ITO透明导电层形成欧姆接触。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20180119 |