CN108389968B - 薄膜晶体管、其制备方法及显示器件 - Google Patents

薄膜晶体管、其制备方法及显示器件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及显示领域，特别涉及薄膜晶体管、其制备方法及显示器件。本发明的薄膜晶体管，包括与所述栅极相接触的光电转换层，所述光电转换层用于在光照环境下产生感应电势。在本发明中，光电转换层接受光照后产生感应电势，可以补偿栅极进行电压驱动，因此，在实际操作中，仅需要外界提供一个较小的电压即可导通薄膜晶体管，节能效果显著。所述薄膜晶体管用于显示器件时，可以降低显示器件的功耗，实现了更高的能效比。

Description

薄膜晶体管、其制备方法及显示器件
技术领域
本发明涉及显示领域，特别涉及薄膜晶体管、其制备方法及显示器件。
背景技术
薄膜晶体管是一种场效应半导体器件，尤其在平板显示装置中发挥着重要作用，薄膜晶体管包括衬底、栅极、栅极绝缘层、半导体层和源漏极等几个重要组成部分。根据栅极与半导体层的相对位置不同，具体可分为顶栅结构的薄膜晶体管和底栅结构的薄膜晶体管。随着显示技术向高分辨率、大尺寸和高帧率发展，对于薄膜晶体管的驱动能力也有了更高的要求。
当前，薄膜晶体管的驱动模式均是栅极电压驱动，从而导通沟道，打开薄膜晶体管。但是，由于栅绝缘层过厚，导致钝化层的电容过小，需要大于1V的电压才能够导通薄膜晶体管。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:提供一种薄膜晶体管、其制备方法及显示器件，所述薄膜晶体管的栅极驱动电压较低，节能效果好。
本发明公开了一种薄膜晶体管，包括栅极，栅绝缘层，半导体层，源极和漏极，还包括与所述栅极相接触的光电转换层，所述光电转换层用于在光照环境下产生感应电势。
优选地，所述光电转换层包括依次设置的透明导电层、电子注入层和光敏层：
所述光敏层与所述栅极接触。
优选地，所述光敏层的材料的通式为ABX3；
其中，A是CH3NH3，B是金属元素，X是卤素。
优选地，所述光敏层的材料为CH3NH3PbX3，X是卤素。
优选地，所述栅绝缘层的单位电容值大于15nF/cm2。
优选地，所述栅绝缘层的材料为二氧化硅固态电解质或者氧化铝固态电解质。
优选地，所述光敏层的厚度为300nm～500nm，所述电子传输层厚度为500nm～1μm，所述透明导电层的厚度为100nm～200nm。
本发明公开了一种薄膜晶体管的制备方法，包括在衬底基板上形成栅极，栅绝缘层，半导体层，源极和漏极的步骤，还包括：
形成与栅极接触的光电转换层。
优选地，形成光电转换层的步骤包括：
在所述衬底基板上形成透明导电层；
在所述透明导电层表面沉积电子注入层；
在所述电子注入层表面形成光敏层；
对所述透明导电薄膜、电子注入层和光敏层进行图案化处理，得到光电转换层。
优选地，形成光电转换层的步骤包括：
在所述栅极表面形成光敏层；
在所述光敏层表面沉积电子注入层；
在所述电子注入层表面沉积透明导电层；对所述透明导电薄膜、电子注入层和光敏层进行图案化处理，得到光电转换层。
优选地，所述光敏层的材料的通式为ABX3；其中，A是CH3NH3，B是金属元素，X是卤素；
所述形成光敏层的步骤包括：
将含有通式为ABX3的光敏层材料的溶液通过旋涂的方法形成在所述电子注入层或者栅极表面上，烘干后，得到光敏层。
优选地，所述栅绝缘层的材料为二氧化硅固态电解质，所述形成栅绝缘层的步骤包括：
采用气相沉积法在形成有所述栅极或者半导体层的衬底基板上，沉积二氧化硅固态电解质，得到栅绝缘层；
所述气相沉积法中，反应气体SiH4与O2的气体流量比为1:4～1:5。
本发明还公开了一种显示器件，包括上述技术方案所述的薄膜晶体管。
与现有技术相比，本发明的薄膜晶体管，包括与所述栅极相接触的光电转换层，所述光电转换层用于在光照环境下产生感应电势。在本发明中，光电转换层接受光照后产生感应电势，可以补偿栅极进行电压驱动，因此，在实际操作中，仅需要外界提供一个较小的电压即可导通薄膜晶体管，节能效果显著。所述薄膜晶体管用于显示器件时，可以降低显示器件的功耗，实现了更高的能效比。
附图说明
图1表示本发明一实施例的薄膜晶体管结构示意图；
图2表示本发明一实施例中薄膜晶体管的栅极及光电转换层的结构示意图；
图3表示本发明光敏层材料的伏安曲线图；
图4表示本发明另一实施例的薄膜晶体管结构示意图；
图5表示本发明另一实施例中薄膜晶体管的栅极及光电转换层的结构示意图；
图6表示本发明一实施例中薄膜晶体管的栅绝缘层在受到电压驱动下的内部离子分布示意图；
附图标记：
1为衬底基板，2为光电转换层，2-1为光敏层，2-2为电子注入层，2-3为透明导电层，3为栅极，4为栅绝缘层，5为半导体层，6为源极，7为漏极，8为层间绝缘层。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本实施例公开了一种薄膜晶体管，包括栅极，栅绝缘层，半导体层，源极和漏极，还包括与所述栅极相接触的光电转换层，所述光电转换层用于在光照环境下产生感应电势。
本发明所述的薄膜晶体管可以为顶栅结构的薄膜晶体管，也可以为底栅结构的薄膜晶体管。
本发明的薄膜晶体管包括一般膜层的设置，如栅极，栅绝缘层，半导体层，源极和漏极，另外还包括与栅极相接触的光电转换层。
所述光电转换层位于栅极靠近入光侧的一侧，用于在光照环境下产生感应电势。所述光电转换层接受光照后产生感应电势，可以补偿栅极进行电压驱动，因此，在实际操作中，仅需要外界提供一个较小的电压即可导通薄膜晶体管，节能效果显著。
当所述薄膜晶体管为底栅结构时，具体参见图1，包括衬底基板1、设置于衬底基板1上的光电转换层2，设置于光电转换层2上的栅极3，设置于所述栅极3表面的栅绝缘层4，设置于所述栅绝缘层4上的半导体层5，设置于所述半导体层上的源极6和漏极7。
优选地，所述光电转换层2包括由衬底基板至源漏极方向依次设置的透明导电层2-3、电子注入层2-2和光敏层2-1，所述光敏层2-1与所述栅极3接触。具体参见图2。
所述光敏层的作用是吸收光并产生感应电势。所述光敏层的厚度优选为300nm～500nm，优选地，所述光敏层的材料的通式为ABX3；
其中，A是CH3NH3，B是金属元素，X是卤素。
所述通式的光敏层材料具备有机无机杂化钙钛矿结构，其中B优选为IVA族中的金属，更优选为Pb，即所述光敏层的材料为CH3NH3PbX3。所述X为卤素，优选为氯、溴或者碘。
图3为所述通式的光敏层材料的伏安曲线图；由图3可知，所述通式的光敏层材料光吸收效果较好，并且能够接受光照后产生感应电势。具体测试过程是外加与所述通式的光敏层材料光生电压相反方向的电压，外加电压从0V开始扫到开路电压(即所述通式的光敏层材料的最大光生电压)即为正向扫描，所得到的外加电压和电流的曲线即为图中正向曲线；然后外加电压再从开路电压开始扫到0V，即为反向扫描。由于所述通式的光敏层材料本身有磁滞效应，故正反方向不完全重合。由此可以得到所述通式的光敏层材料的开路电压即为输送给栅极的最大电压。
所述电子注入层的作用为加速光生电子和空穴的分离。所述电子传输层厚度优选为500nm～1μm。
所述透明导电层的作用是电子传输，其材料优选为氧化铟锡、氧化铟锌等。所述透明导电层的厚度优选为100nm～200nm。
当所述薄膜晶体管为顶栅结构时，具体参见图4，包括衬底基板1，设置于衬底基板1上的半导体层5，设置于半导体层5上的栅绝缘层4，设置于栅绝缘层4上的栅极3，设置于栅极3上的光电转换层2；优选的，光电转换层2上还设置有层间绝缘层8，层间绝缘层8上设置源极6和漏极7。所述源极6和漏极7通过过孔与半导体层5连接。
优选地，所述光电转换层2包括由源漏极至衬底基板方向依次设置的透明导电层2-3、电子注入层2-2和光敏层2-1，所述光敏层2-1与所述栅极3接触。具体参见图5。
对于透明导电层、电子注入层和光敏层选用的材料及厚度与上述技术方案相同，在此不再赘述。
为了进一步减少外界提供的电压，所述栅绝缘层优选选用单位电容值更大的材料，以便于在较小的电压下即可导通薄膜晶体管。
优选地，所述栅绝缘层的单位电容值大于15nF/cm2。所述栅绝缘层的材料为二氧化硅固态电解质或者氧化铝固态电解质。所述二氧化硅固体电解质内部有自由移动的离子，在栅极驱动电压下，离子定向迁移，在栅绝缘层和半导体层的界面处形成很薄的电容器，背沟道电子随所述电容器的变薄而增多，达到在较低栅极电压下导通薄膜晶体管的效果。所述二氧化硅固体电解质的在受到电压驱动下的内部离子分布具体参见图6。
本发明的实施例公开了一种薄膜晶体管的制备方法，包括在衬底基板上形成栅极，栅绝缘层，半导体层，源极和漏极的步骤，还包括：
形成与栅极接触的光电转换层。
根据薄膜晶体管的结构不同，其中各个膜层的形成顺序稍有不同。
当薄膜晶体管为底栅结构时，其制备方法具体包括以下步骤：
S1：提供衬底基板；
S2：在所述衬底基板上形成光电转换层；
优选地，形成光电转换层的步骤包括：
在所述衬底基板上形成透明导电层；
在所述透明导电层表面沉积电子注入层；
在所述电子注入层表面形成光敏层；
对所述透明导电薄膜、电子注入层和光敏层进行图案化处理，得到光电转换层。
所述光敏层的作用是吸收光并产生感应电势。所述光敏层的厚度优选为300nm～500nm，优选地，所述光敏层的材料的通式为ABX3；
其中，A是CH3NH3，B是金属元素，X是卤素。
所述通式的光敏层材料具备有机无机杂化钙钛矿结构，其中B优选为IVA族中的金属，更优选为Pb，即所述光敏层的材料为CH3NH3PbX3。所述X为卤素，优选为氯、溴或者碘。
优选地，所述形成光敏层的步骤包括：
将含有通式为ABX3的光敏层材料的溶液通过旋涂的方法形成在所述电子注入层表面上，烘干后，得到光敏层。
所述电子注入层的作用为加速光生电子和空穴的分离。所述电子传输层厚度优选为500nm～1μm。
所述透明导电层的作用是电子传输，其材料优选为氧化铟锡、氧化铟锌等。所述透明导电层的厚度优选为100nm～200nm。
S3：在形成有所述光电转换层的衬底基板上形成栅极，所述光电转换层与所述栅极相接触；
所述栅极的材料可选用Cu，Al，Ag，Mo，Cr，Nd，Ni，Mn，Ti，Ta，W等金属以及这些金属的合金。
栅极的制备方法为：在所述光电转换层上沉积栅金属层，对所述栅金属层进行构图，得到栅极。
当光电转换层包括透明导电层、电子注入层和光敏层时：
栅极的制备方法为：在形成有光敏层的衬底基板上沉积栅金属层，对所述栅金属层进行构图，得到栅极。
构图工艺可以按照以下方法执行，但不限于以下方法：
在栅金属层上涂覆一层光刻胶，采用掩膜板对光刻胶进行曝光，使光刻胶形成光刻胶未保留区域和光刻胶保留区域，其中，光刻胶保留区域对应于栅极的图形所在区域，光刻胶未保留区域对应于上述图形以外的区域；进行显影处理，光刻胶未保留区域的光刻胶被完全去除，光刻胶保留区域的光刻胶厚度保持不变；通过刻蚀工艺完全刻蚀掉光刻胶未保留区域的栅金属薄膜；剥离剩余的光刻胶，形成栅极的图形。
S4：形成栅绝缘层，具体形成方法为：
在形成有栅极的衬底基板上形成栅绝缘层。
为了进一步减少外界提供的电压，所述栅绝缘层优选选用单位电容值更大的材料，以便于在较小的电压下即可导通薄膜晶体管。
优选地，所述栅绝缘层的单位电容值大于15nF/cm2。所述栅绝缘层的材料为二氧化硅固态电解质或者氧化铝固态电解质。所述二氧化硅固体电解质内部有自由移动的离子，在栅极驱动电压下，离子定向迁移，在栅绝缘层和半导体层的界面处形成很薄的电容器，背沟道电子随所述电容器的变薄而增多，达到在较低栅极电压下导通薄膜晶体管的效果。
所述栅绝缘层的材料优选为二氧化硅固态电解质，所述形成栅绝缘层的步骤包括：
采用气相沉积法在形成有栅极的衬底基板上，沉积二氧化硅固态电解质，得到栅绝缘层；
所述气相沉积法中，反应气体SiH4与O2的气体流量比为1:4～1:5。
S5：形成半导体层，具体形成方法为：
在形成有所述栅绝缘层的衬底基板上形成半导体层；
所述半导体层可选用的材料为a-Si，LTPS，IGZO等。
在所述栅绝缘层上形成半导体层的方法优选为：
在形成有所述栅绝缘层的衬底基板上沉积半导体薄膜，经过构图工艺，得到半导体层。
S6：形成源极和漏极，所述源极和漏极可采用包括Al、Cu、Ti、Cr等金属；
形成源极和漏极的方法优选为：
沉积源漏电极层，经过构图工艺，形成源极和漏极。
优选地，所述源极和漏极设置于半导体层上，以尽量降低寄生电容。
制备形成源极和漏极后，得到薄膜晶体管。
当薄膜晶体管为顶栅结构时，其制备方法具体包括以下步骤：
S1’：提供衬底基板；
S2’：形成半导体层，具体形成方法为：
在所述衬底基板上形成半导体层；
所述半导体层可选用的材料为a-Si，LTPS，IGZO等。
在所述衬底基板上形成半导体层的方法优选为：
在所述衬底基板上沉积半导体薄膜，经过构图工艺，得到半导体层。
S3’：形成栅绝缘层，具体形成方法为：
在形成有所述半导体层的衬底基板上形成栅绝缘层。
为了进一步减少外界提供的电压，所述栅绝缘层优选选用单位电容值更大的材料，以便于在较小的电压下即可导通薄膜晶体管。
优选地，所述栅绝缘层的单位电容值大于15nF/cm2。所述栅绝缘层的材料为二氧化硅固态电解质或者氧化铝固态电解质。所述二氧化硅固体电解质内部有自由移动的离子，在栅极驱动电压下，离子定向迁移，在栅绝缘层和半导体层的界面处形成很薄的电容器，背沟道电子随所述电容器的变薄而增多，达到在较低栅极电压下导通薄膜晶体管的效果。
所述栅绝缘层的材料优选为二氧化硅固态电解质，所述形成栅绝缘层的步骤包括：
采用气相沉积法在形成有半导体层的衬底基板上，沉积二氧化硅固态电解质，得到栅绝缘层；
所述气相沉积法中，反应气体SiH4与O2的气体流量比为1:4～1:5。
S4’：形成栅极；
具体地，可以采用溅射或热蒸发的方法在完成步骤S3’的基板上沉积厚度约为
Figure BDA0001584507790000081
的栅金属层，栅金属层可以是Cu，Al，Ag，Mo，Cr，Nd，Ni，Mn，Ti，Ta，W等金属以及这些金属的合金，栅金属层可以为单层结构或者多层结构，多层结构比如Cu\Mo,Ti\Cu\Ti，Mo\Al\Mo等。在栅金属层上涂覆一层光刻胶，采用掩膜板对光刻胶进行曝光，使光刻胶形成光刻胶未保留区域和光刻胶保留区域，其中，光刻胶保留区域对应于栅极的图形所在区域，光刻胶未保留区域对应于上述图形以外的区域；进行显影处理，光刻胶未保留区域的光刻胶被完全去除，光刻胶保留区域的光刻胶厚度保持不变；通过刻蚀工艺完全刻蚀掉光刻胶未保留区域的栅金属薄膜，剥离剩余的光刻胶，形成栅极的图形。
S5’：形成光电转换层，所述光电转换层与栅极接触。
具体地：在所述栅极表面形成光敏层；
在所述光敏层表面沉积电子注入层；
在所述电子注入层表面沉积透明导电层；对所述透明导电薄膜、电子注入层和光敏层进行图案化处理，得到光电转换层。
所述透明导电薄膜、电子注入层和光敏层所用的材料以及厚度，已经在上述技术方案中明确描述，在此不再赘述。
S6’：形成层间绝缘层，
具体地，可以采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法在完成步骤S5’的衬底基板上沉积层间绝缘层。
S7’：形成源极和漏极，所述源极和漏极分别与所述半导体层连接。
所述源极和漏极可采用包括Al、Cu、Ti、Cr等金属；
形成源极和漏极的方法优选为：
在层间绝缘层和栅绝缘层上形成过孔，
在所述孔内分别沉积源漏电极金属，经过构图工艺，形成源极和漏极。
制备形成源极和漏极后，得到薄膜晶体管。本发明的实施例还公开了一种显示器件，包括上述技术方案所述的薄膜晶体管。
所述显示器件可以为：显示基板或者显示装置。所述显示装置可以包括：液晶电视、液晶显示器、数码相框、手机、平板电脑等任何具有显示功能的产品或部件。
包括本发明实施例所述薄膜晶体管的液晶显示器件可用于条状二维码的显示。当背光源打开时，所有栅极由于光电转换层产生的电压全部打开，通过控制向源极输入的电压信号，可以驱动相应的像素电极使显示器件显示的亮暗相间的条纹，进而达到显示条状二维码的目的。
采用本发明实施例提供的薄膜晶体管，可以省去驱动信号线的制作步骤，从而优化制作工艺和器件结构，降低生产成本。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (12)

1.一种薄膜晶体管，包括栅极，栅绝缘层，半导体层，源极和漏极，其特征在于，还包括与所述栅极相接触的光电转换层，所述光电转换层用于在光照环境下产生感应电势；
所述光电转换层包括依次设置的透明导电层、电子注入层和光敏层；
所述光敏层与所述栅极接触。
2.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述光敏层的材料的通式为ABX3；
其中，A是CH3NH3，B是金属元素，X是卤素。
3.根据权利要求2所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述光敏层的材料为CH3NH3PbX3，X是卤素。
4.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述栅绝缘层的单位电容值大于15nF/cm2。
5.根据权利要求4所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述栅绝缘层的材料为二氧化硅固态电解质或者氧化铝固态电解质。
6.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述光敏层的厚度为300nm～500nm，所述电子注入层厚度为500nm～1μm，所述透明导电层的厚度为100nm～200nm。
7.一种薄膜晶体管的制备方法，包括在衬底基板上形成栅极，栅绝缘层，半导体层，源极和漏极的步骤，其特征在于，还包括：
形成与栅极接触的光电转换层；
所述光电转换层包括依次设置的透明导电层、电子注入层和光敏层；
所述光敏层与所述栅极接触。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，形成光电转换层的步骤包括：
在所述衬底基板上形成透明导电层；
在所述透明导电层表面沉积电子注入层；
在所述电子注入层表面形成光敏层；
对所述透明导电层、电子注入层和光敏层进行图案化处理，得到光电转换层。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，形成光电转换层的步骤包括：
在所述栅极表面形成光敏层；
在所述光敏层表面沉积电子注入层；
在所述电子注入层表面沉积透明导电层；对所述透明导电层、电子注入层和光敏层进行图案化处理，得到光电转换层。
10.根据权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于，所述光敏层的材料的通式为ABX3；其中，A是CH3NH3，B是金属元素，X是卤素；
所述形成光敏层的步骤包括：
将含有通式为ABX3的光敏层材料的溶液通过旋涂的方法形成在所述电子注入层或者栅极表面上，烘干后，得到光敏层。
11.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述栅绝缘层的材料为二氧化硅固态电解质，所述形成栅绝缘层的步骤包括：
采用气相沉积法在形成有所述栅极或者半导体层的衬底基板上，沉积二氧化硅固态电解质，得到栅绝缘层；
所述气相沉积法中，反应气体SiH4与O2的气体流量比为1:4～1:5。
12.一种显示器件，其特征在于，包括如权利要求1～6中任一项所述的薄膜晶体管。
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