CN108447914A - 一种基于vo2的柔性薄膜晶体管及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于VO2的柔性薄膜晶体管及其应用，属于半导体技术领域。所述柔性薄膜晶体管包括：具有机械柔韧性的云母片衬底；处于同一平面的VO2薄膜沟道层、源极、漏极及栅极，其中源漏极与沟道层两端相连接，栅极与沟道层相隔离；粘贴覆盖于沟道层上并与栅极相接触的柔性离子凝胶介电层。通过在该晶体管栅极上施加较小的电压，即可实现对红外透射的调控作用。本发明的晶体管具有成本低、结构简单以及工作能耗低的特点。可应用于节能储能材料、红外敏感元件、红外激光防护及红外隐形材料等领域。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种基于VO2的柔性薄膜晶体管及其在红外波段的透射率调控中的应用。
背景技术
VO2是一种典型的强关联电子过渡金属氧化物，其在68℃左右会发生从低温单斜相到高温四方相的可逆相变，随着相变的产生，其电阻将发生3~5个数量级的变化，同时其红外透射率也会发生突变，从低温状态下高的红外透过率变成高温状态下低的红外透射率。故其在智能窗、光电开关、光存储、红外敏感元件及红外激光保护等领域具有广泛的应用前景。随着电子工业的飞速发展，可弯曲的柔性电子材料引起人们越来越多的关注，基于柔性衬底的导电薄膜将成为硬质衬底导电薄膜的更新换代产品。那么将应用前景广泛的VO2薄膜和柔性电子材料结合起来，即将VO2薄膜制作成柔性电子器件，是当前基于VO2电子产品应用的迫切需求。
结晶良好、性能优异的VO2薄膜需要在一定的温度下（≥500℃）生成，然而一般常用的塑料、有机聚合物、玻璃等柔性衬底不能承受较高的温度。另一方面，由于VO2薄膜的相变温度在68℃，这限制了其在室温以及更低温下的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于VO2的柔性薄膜晶体管，且能够在较小的工作电压下实现对红外透射的调控作用。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案步骤如下：
一种基于VO2的柔性薄膜晶体管，该柔性薄膜晶体管包括：柔性云母片衬底；处于同一平面的VO2薄膜沟道层、源极、漏极及栅极，其中源漏极与沟道层两端相连接，栅极与沟道层相隔离；粘贴覆盖于沟道层上并与栅极相接触的柔性离子凝胶介电层。
所述云母片衬底为白云母、黑云母或金云母的天然云母片；通过机械剥离的方法，剥离表面污染层使其表面粗糙度不超过1nm。
所述二氧化钒薄膜沟道层厚度为10~100nm，宽度为100~500μm，长度为100~2000μm。
所述源极，漏极以及栅极均为金属电极，厚度为10~120nm。
所述柔性离子凝胶介电层厚度为20~500μm。
一种基于VO2的柔性薄膜晶体管的应用，特点是：在栅极上逐渐施加0~3.5V的电压，可实现该晶体管的凝胶介电层、VO2沟道层及云母片衬底的多层结构对红外光的透过率发生变化，变化范围在2000nm波长的红外光下可达40%。
所述基于VO2的柔性薄膜晶体管通过以下具体步骤得到：
1)以经剥离后表面粗糙度不超过1nm的天然云母片为衬底，覆盖上刻有沟道层形状的镂空金属掩膜版。采用脉冲激光沉积的方法制备出厚度为10~100nm、宽度为100~500μm、长度为100~2000μm的二氧化钒薄膜沟道层。
进一步的，所述云母片衬底的大小、厚度可调，且可转移到其它柔性衬底上；云母片具有优异的红外透过性，2000nm波长的红外光透射率可达90%以上。
所述二氧化钒薄膜的生长温度为500~600℃，结晶良好。
2)在生长有二氧化钒薄膜沟道层的云母衬底上，对齐覆盖上与步骤1中镂空金属掩膜版相匹配的刻有电极形状的镂空金属掩膜版。采用金属热蒸发仪沉积出与沟道层两端接触的金属源漏极及与沟道层隔离的金属栅极。源极、漏极及栅极的厚度为10~120nm。
进一步的，所述金属电极材料包括Au、Ag、Cr或Al，但不限于此。
3)将合成好的厚度为20~500μm的离子凝胶介电层粘贴覆盖于沟道层上并与栅极相接触。
进一步的，所述离子凝胶是由高纯度离子液体甲基-二乙基-(2-甲氧乙基)铵四氟硼酸盐（DEME-BF4）与高分子聚合物偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（P(VDF-HFP)）以及无水丙酮，三者按质量比1:4:7制备出透明溶液后，在氮气保护气氛、干燥的环境中，将透明液体旋涂在玻璃衬底上后，放置于真空干燥箱中，在70摄氏度的温度下真空干燥24小时而得到。其电容可以达到10 μF/cm2，载流子调控能力可达1014/cm2。
离子凝胶可随意弯曲与裁剪，具有很高的红外透射率，2000nm波长的红外光透射率可达80%以上。
4)通过在栅极上施加0~3.5V的电压，即可实现该晶体管的凝胶介电层、VO2沟道层及云母片衬底的多层结构对红外光的透过率发生变化，变化范围在2000nm波长的红外光下可达40%。
本发明选用具有柔韧性，且热性能稳定可承受薄膜晶化温度的天然云母片为VO2柔性器件的衬底。同时选用具有巨大的界面电容和超强的载流子调控能力的固态柔性的离子凝胶为介电层，制备出了在室温下即对红外透射具有显著调控作用的柔性薄膜晶体管，且工作电压低。该柔性晶体管可应用于节能储能材料、红外敏感元件、红外激光防护及红外隐形材料等领域。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
1)本发明所述的柔性薄膜晶体管采用的是廉价的且具有机械柔韧性的天然云母片为衬底，云母片高化学惰性和热稳定性（~ 1000 ℃）等特点，可以承受薄膜晶化的温度（通常大于600 ℃），同时具有天然原子级平整（001）解理面并提供外延生长的界面，因此可在云母片上制备出结晶良好、高质量的氧化物薄膜且成本较低。
2)本发明所述的柔性薄膜晶体管中的沟道层、源极、漏极及栅极都处于同一平面上，且沟道层、源极、漏极及栅极的位置、形状、大小及厚度可调，柔性离子凝胶介电层粘贴与去除方便，因此结构简单、工艺灵活。
3)本发明所述的柔性薄膜晶体管的工作电压为0~3.5V，即可实现对红外透射调控性能，因此具有工作能耗低的特点，可应用于柔性节能储能材料、红外敏感元件、红外激光防护及红外隐形材料等领域。
附图说明
图1为本发明中柔性薄膜晶体管对红外透射调控示意图；其中1为离子凝胶；2为VO2沟道层；3为金属栅极；4为金属源极；5为云母片衬底。当栅极电压VGS=0V时，能量为1的红外光依次穿过离子凝胶、VO2沟道层及云母片衬底后，能量变为0.7~0.85。而当VGS=3.5V时，能量为1的红外光依次穿过离子凝胶、VO2沟道层及云母片衬底后，能量发生变化，下降为0.4~0.6。即通过栅极电压的施加与否，实现了对红外透射的调控作用。
图2为本发明实施例3中柔性薄膜晶体管在栅极电压为0V及3.5V时的红外透射率图谱。
具体实施方式
下面根据具体实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。以下所述实施例旨在便于对本发明的进一步理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1
步骤1：将天然云母片进行剥离，使其表面粗糙度不超过1nm；
步骤2：在上述剥离后的云母片上覆盖上刻有沟道层形状的镂空金属掩膜版。采用脉冲激光沉积的方法，制备出厚度为10nm、宽度为100~500μm、长度为100~2000μm的二氧化钒薄膜沟道层；
步骤3：在生长有二氧化钒薄膜沟道层的云母衬底上，对齐覆盖上与步骤1中镂空金属掩膜版相匹配的刻有电极形状的镂空金属掩膜版。采用金属热蒸发仪沉积出与沟道层两端接触的金属源漏极及与沟道层隔离的金属栅极。源极、漏极及栅极的厚度为10~120nm；
步骤4：将合成好的厚度为20~500μm的离子凝胶介电层粘贴覆盖于沟道层上并与栅极相接触。
本实施例制备的薄膜晶体管在0~3.5V的栅极电压下，可使波长为2000nm 红外光的透射率发生0%~40%的变化。
实施例2
步骤1：将天然云母片进行剥离，使其表面粗糙度不超过1nm；
步骤2：在上述剥离后的云母片上覆盖上刻有沟道层形状的镂空金属掩膜版。采用脉冲激光沉积的方法，制备出厚度为20nm、宽度为100~500μm、长度为100~2000μm的二氧化钒薄膜沟道层；
步骤3：在生长有二氧化钒薄膜沟道层的云母衬底上，对齐覆盖上与步骤1中镂空金属掩膜版相匹配的刻有电极形状的镂空金属掩膜版。采用金属热蒸发仪沉积出与沟道层两端接触的金属源漏极及与沟道层隔离的金属栅极。源极、漏极及栅极的厚度为10~120nm；
步骤4：将合成好的厚度为20~500μm的离子凝胶介电层粘贴覆盖于沟道层上并与栅极相接触。
本实施例制备的薄膜晶体管在0~3.5V的栅极电压下，可使波长为2000nm 红外光的透射率发生的0%~35%变化。
实施例3
步骤1：将天然云母片进行剥离，使其表面粗糙度不超过1nm；
步骤2：在上述剥离后的云母片上覆盖上刻有沟道层形状的镂空金属掩膜版。采用脉冲激光沉积的方法，制备出厚度为40nm、宽度为100~500μm、长度为100~2000μm的二氧化钒薄膜沟道层；
步骤3：在生长有二氧化钒薄膜沟道层的云母衬底上，对齐覆盖上与步骤1中镂空金属掩膜版相匹配的刻有电极形状的镂空金属掩膜版。采用金属热蒸发仪沉积出与沟道层两端接触的金属源漏极及与沟道层隔离的金属栅极。源极、漏极及栅极的厚度为10~120nm；
步骤4：将合成好的厚度为20~500μm的离子凝胶介电层粘贴覆盖于沟道层上并与栅极相接触。
本实施例制备的薄膜晶体管在0~3.5V的栅极电压下，可使波长为2000nm 红外光的透射率发生0%~30%的变化。
实施例4
步骤1：将天然云母片进行剥离，使其表面粗糙度不超过1nm；
步骤2：在上述剥离后的云母片上覆盖上刻有沟道层形状的镂空金属掩膜版。采用脉冲激光沉积的方法，制备出厚度为60nm、宽度为100~500μm、长度为100~2000μm的二氧化钒薄膜沟道层；
步骤3：在生长有二氧化钒薄膜沟道层的云母衬底上，对齐覆盖上与步骤1中镂空金属掩膜版相匹配的刻有电极形状的镂空金属掩膜版。采用金属热蒸发仪沉积出与沟道层两端接触的金属源漏极及与沟道层隔离的金属栅极。源极、漏极及栅极的厚度为10~120nm；
步骤4：将合成好的厚度为20~500μm的离子凝胶介电层粘贴覆盖于沟道层上并与栅极相接触。
本实施例制备的薄膜晶体管在0~3.5V的栅极电压下，可使波长为2000nm 红外光的透射率发生0%~25%的变化。
实施例5
步骤1：将天然云母片进行剥离，使其表面粗糙度不超过1nm；
步骤2：在上述剥离后的云母片上覆盖上刻有沟道层形状的镂空金属掩膜版。采用脉冲激光沉积的方法，制备出厚度为80nm、宽度为100~500μm、长度为100~2000μm的二氧化钒薄膜沟道层；
步骤3：在生长有二氧化钒薄膜沟道层的云母衬底上，对齐覆盖上与步骤1中镂空金属掩膜版相匹配的刻有电极形状的镂空金属掩膜版。采用金属热蒸发仪沉积出与沟道层两端接触的金属源漏极及与沟道层隔离的金属栅极。源极、漏极及栅极的厚度为10~120nm；
步骤4：将合成好的厚度为20~500μm的离子凝胶介电层粘贴覆盖于沟道层上并与栅极相接触。
本实施例制备的薄膜晶体管在0~3.5V的栅极电压下，可使波长为2000nm 红外光的透射率0%~20%的变化。
实施例6
步骤1：将天然云母片进行剥离，使其表面粗糙度不超过1nm；
步骤2：在上述剥离后的云母片上覆盖上刻有沟道层形状的镂空金属掩膜版。采用脉冲激光沉积的方法，制备出厚度为100nm、宽度为100~500μm、长度为100~2000μm的二氧化钒薄膜沟道层；
步骤3：在生长有二氧化钒薄膜沟道层的云母衬底上，对齐覆盖上与步骤1中镂空金属掩膜版相匹配的刻有电极形状的镂空金属掩膜版。采用金属热蒸发仪沉积出与沟道层两端接触的金属源漏极及与沟道层隔离的金属栅极。源极、漏极及栅极的厚度为10~120nm；
步骤4：将合成好的厚度为20~500μm的离子凝胶介电层粘贴覆盖于沟道层上并与栅极相接触。
本实施例制备的薄膜晶体管在0~3.5V的栅极电压下，可使波长为2000nm 红外光的透射率发生0%~15%的变化。
Claims (6)
1.一种基于VO2的柔性薄膜晶体管，其特征在于，该柔性薄膜晶体管包括：柔性云母片衬底；处于同一平面的VO2薄膜沟道层、源极、漏极及栅极，其中源漏极与沟道层两端相连接，栅极与沟道层相隔离；粘贴覆盖于沟道层上并与栅极相接触的柔性离子凝胶介电层。
2.根据权利要求1所述的柔性薄膜晶体管，其特征在于：所述云母片衬底为白云母、黑云母或金云母的天然云母片；通过机械剥离的方法，剥离表面污染层使其表面粗糙度不超过1nm。
3.根据权利要求1所述的柔性薄膜晶体管，其特征在于：所述二氧化钒薄膜沟道层厚度为10~100nm，宽度为100~500μm，长度为100~2000μm。
4.根据权利要求1所述的柔性薄膜晶体管，其特征在于：所述源极，漏极以及栅极均为金属电极，厚度为10~120nm。
5.根据权利要求1所述的柔性薄膜晶体管，其特征在于：所述柔性离子凝胶介电层厚度为20~500μm。
6.一种基于VO2的柔性薄膜晶体管的应用，其特征在于：在栅极上逐渐施加0~3.5V的电压，可实现该晶体管的凝胶介电层、VO2沟道层及云母片衬底的多层结构对红外光的透过率发生变化，变化范围在2000nm波长的红外光下可达40%。
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