CN109764983A - 双栅薄膜晶体管、传感器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双栅薄膜晶体管、传感器及制作方法，涉及电子传感技术领域。本发明的主要技术方案为：一种双栅薄膜晶体管，其包括：应力传感层，所述应力传感层设置于底栅极和顶栅极之间，且所述应力传感层与所述底栅极和所述顶栅极之间均设有底栅极绝缘层；其中，对所述底栅极施加第一预设电压，对所述顶栅极施加第二预设电压，所述第一预设电压大于所述第二预设电压，在所述应力传感层形成内建电场降低所述底栅极和所述顶栅极之间的有效栅极电压，则源漏电流与外部压力成反比；或所述第一预设电压小于所述第二预设电压，在所述应力传感层形成内建电场增强所述底栅极和所述顶栅极之间的有效栅极电压，则源漏电流与外部压力成正比。

Description

双栅薄膜晶体管、传感器及制作方法

技术领域

本发明涉及电子传感技术领域，尤其涉及一种双栅薄膜晶体管、传感器及制作方法。

背景技术

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其它所需形式的信息输出，以满足信息的输出、处理、存储、显示、记录和控制等要求；21世纪以来，传感器在智能医疗中的应用愈发广泛，传感器和人体健康的联系就是检测人体机械能的释放，例如：呼吸、心跳、血液流动和肺部的扩张/收缩等，将机械能有效地转换为电信号；探测机械能的技术包括压电效应、摩擦带电效应、磁致伸缩效应和电磁感应效应等，其中，压电效应能够有效地运用于纳米级别的微观领域，如纳米发电机。

压电效应是指压电材料能够有效地将机械能转化为电能的现象；现有的大部分压电传感器多采用压电材料组成的薄膜，为了有效的放大压力传感的电信号提高灵敏度，则需要大面积的铺设薄膜，薄膜内穿设大量的电路走线，严重影响传感器小整体的集成度和轻薄度。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种双栅薄膜晶体管、传感器及制作方法，主要目的是解决现有的大部分压力传感器多采用压电材料组成的薄膜，为了有效的放大压力传感的电信号提高灵敏度，则需要大面积的铺设薄膜，薄膜内穿设大量的电路走线，严重影响传感器小整体的集成度和轻薄度的问题。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供了一种双栅薄膜晶体管，其包括：

应力传感层，所述应力传感层设置于底栅极和顶栅极之间，且所述应力传感层与所述底栅极和所述顶栅极之间均设有底栅极绝缘层；

其中，对所述底栅极施加第一预设电压，对所述顶栅极施加第二预设电压，所述第一预设电压大于所述第二预设电压，在所述应力传感内层形成内建电场降低所述底栅极和所述顶栅极之间的有效栅极电压，则源漏电流与外部压力成反比；

或所述第一预设电压小于所述第二预设电压，在所述应力传感层形成内建电场增强所述底栅极和所述顶栅极之间的有效栅极电压，则源漏电流与外部压力成正比。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现；

可选的，前述的一种双栅薄膜晶体管，所述应力传感层为压电材料；

可选的，前述的一种双栅薄膜晶体管，所述应力传感层位于所述底栅极的正投影上方。

可选的，前述的一种双栅薄膜晶体管，所述应力传感层的正投影覆盖所述底栅极。

可选的，前述的一种双栅薄膜晶体管，所述应力传感层包括多个应力传感单元；

所述应力传感单元包括压电材料、底栅极绝缘层，所述压电材料的上下两端分别设置所述底栅极绝缘层；

其中，所述多个应力传感单元层叠设置。

可选的，前述的一种双栅薄膜晶体管，还包括衬底、有源层、源/漏电极以及顶栅极绝缘层；

所述衬底设置在所述底栅极下方；

所述顶栅极绝缘层、所述源/漏电极以及所述有源层由上至下依次设置在所述顶栅极下方。

另一方面，本发明实施例提供一种双栅薄膜晶体管，其包括：

多个前述的双栅薄膜晶体管。

另一方面，本发明实施例提供制作前述双栅薄膜晶体管的方法，其包括如下步骤：

在衬底上制备底栅极，并对其进行图形化处理；

在所述底栅极上制备底栅极绝缘层，并对其进行图形化处理；

在所述底栅极绝缘层上制备应力传感层，并对其进行图形化处理；

在所述应力传感层上制备底栅极绝缘层，并对其进行图形化处理，使所述应力传感层包裹在相邻两底栅极绝缘层之间；

在所述底栅极绝缘层上方沉积顶栅极，并对其进行图形化处理。

可选的，前述的双栅薄膜晶体管的制作方法中，在衬底上制备底栅极，并对其进行图形化处理的方法之前还包括所述彻底的预处理，对所述衬底进行清洗。

可选的，前述的双栅薄膜晶体管的制作方法中，在所述应力传感层上制备底栅极绝缘层，并对其进行图形化处理，使所述应力传感层包裹在相邻两底栅极绝缘层之间的方法之后还包括：

在所述底栅极绝缘层上制备有源层，并对其进行图形化处理；

在所述有源层上制备源/漏电极，并对其进行图形化处理；

在所述源/漏电极上制备顶栅极绝缘层，并对部分所述源/漏电极进行覆盖，防止其与所述顶栅极接触。

借由上述技术方案，本发明双栅薄膜晶体管、传感器及制作方法至少具有下列优点：在底栅极和顶栅极之间加设应力传感层，且应力传感层与顶栅极和底栅极之间均由底栅极绝缘层隔开；对底栅极和顶栅极施加电压，通过栅极有效电压使得整体晶体管作为电信号的开关，用以将外部压力通过电信号的形式展现出来；当在底栅极施加的第一预设电压大于在顶栅极上施加的第二预设电压时，所述压力传感层形成内建电场，抵消底栅极与顶栅极之间的部分电压，降低底栅极与顶栅极之间的有效栅电压，使得源漏电流与外部压力成反比，在电信号上则表现为外部压力越大电信号越弱；反之，当在底栅极施加的第一预设电压小于在顶栅极上施加的第二预设电压，所述压力传感层形成内建电场，增加底栅极与顶栅极之间的电压，增强底栅极与顶栅极之间的有效电压，使得源漏电流与外部压力成正比，在电信号上则表现为外部压力越大电信号越强；双栅薄膜晶体管体积小，灵敏度高，放大信号效率高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种双栅薄膜晶体管的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种双栅薄膜晶体管受到外部压力后应力传感层电荷变化示意图；

图3为本发明实施例提供的一种双栅薄膜晶体管中增强型薄膜晶体管受到外部压力的沟道电流变化示意图；

图4为本发明实施例提供的一种一种双栅薄膜晶体管中减弱型薄膜晶体管受到外部压力的沟道电流变化示意图；

图5为本发明实施例提供的制作双栅薄膜晶体管的流程图；

图6为本发明实施例提供的一种传感器的结构示意图。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种双栅薄膜晶体管、传感器及制作方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

本发明实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

实施例1

参考附图1，本发明实施例提供的双栅薄膜晶体管，其包括应力传感层1，所述应力传感层1设置于底栅极2和顶栅极3之间，且所述应力传感层1与所述底栅极2和所述顶栅极3之间均设有底栅极绝缘层4；

其中，对所述底栅极2施加第一预设电压，对所述顶栅极3施加第二预设电压，所述第一预设电压大于所述第二预设电压，在所述应力传感层1形成内建电场降低所述底栅极2和所述顶栅极3之间的有效栅极电压，则源漏电流与外部压力成反比；

或所述第一预设电压小于所述第二预设电压，在所述应力传感层1形成内建电场增强所述底栅极2和所述顶栅极3之间的有效栅极电压，则源漏电流与外部压力成正比。

具体的，为了解决现有的大部分压力传感器多采用压电材料组成的薄膜，为了有效的放大压力传感的电信号提高灵敏度，则需要大面积的铺设薄膜，薄膜内穿设大量的电路走线，严重影响传感器小整体的集成度和轻薄度的问题；本发明实施例提供了双栅薄膜晶体管，因为晶体管被广泛应用在集成电路中，其包括芯片和显示器件驱动电路，其通过一个栅压来控制沟道层的导电性进而实现电路的开关，也就实现了电信号的开关，因而本发明实施例提供的双栅薄膜晶体管则是为了用于传感器将外部压力(生物体的机械能)转化为电信号输出；本发明实施例提供的双栅薄膜晶体管包括应力传感层1，所述应力传感层1为压电材料制得，设置在所述底栅极2和所述顶栅极3之间，同时所述应力传感层1包裹在两层所述底栅极绝缘层4之间，也就是说所述应力传感层1与所述底栅极2之间设有所述底栅极绝缘层4，在所述应力传感层1和所述顶栅极3之间设有所述底栅极绝缘层4；其中所述应力传感层1为压电材料指的，比如氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)和氮化铝(AlN)等；所述底栅极2和所述顶栅极3为金属导电材料和氧化物导电材料；

其中，在对所述底栅极2施加的第一预设电压大于对所述顶栅极3施加的第二预设电压时，形成减弱型双栅薄膜晶体管：

压电效应是指某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时它的两个相对表面上出现正负相反的电荷；当外力去掉后，它又恢复到不带电的状态；如图2所示，当所述应力传感层1受到外部应力(生物体的机械能)作用时，所述应力感应层1由于压电效应会使材料内部产生极化现象，从而材料表面带上电荷，这些电荷在正的栅压作用下(电场由所述底栅极2到所述顶栅极3)，电子(负电荷)会向下移动至所述应力传感层1与下侧所述底栅极绝缘层4的界面处，而空穴(正电荷)在电场的作用下会向上移动至所述应力传感层1与上侧所述底栅极绝缘层4界面处；由于电子(负电荷)和空穴(正电荷)分别带负电和正电，因此这会导致所述应力传感层1内部形成一个内建电场；该内建电场会与栅极电压相互作用，抵消部分栅极电压，也就是抵消所述底栅极2与所述顶栅极3之间的部分电压，因此，有效的栅极电压(实际对沟道层或者说有源层5产生作用的栅极电压)会减小，即源漏电流(IDS)会减少；参考附图3，当受到外部应力(生物体的机械能)作用时，所述应力传感层1由于其内部的内建电场形成而导致源漏电流(IDS)会减低，当外部应力(生物体的机械能)去除时，应力传感层1的内部极化消失，由于压电效应产生的内建电场消失，从而源漏电流(IDS)恢复为未受到外部应力(生物体的机械能)前的数值，电信号的外部表现则为外部应力(生物体的机械能)越大，源漏电流(IDS)越小，电信号输出越弱。

其中，在对所述底栅极2施加的第一预设电压小于对所述顶栅极3施加的第二预设电压时，形成增强型双栅薄膜晶体管：

当所述应力传感层1受到外部应力(生物体的机械能)作用时，所述应力感应层1由于压电效应会使材料内部产生极化现象，从而材料表面带上电荷，参考附图2，在负的栅压作用下(电场由所述顶栅极3到所述底栅极2)，由于所述应力传感层1内建电场和栅极间电场方向相同，则使有源层5电子更快地聚集在有源层5与上侧底栅极绝缘层4界面，即有效的栅极电压增加，源漏电流(IDS)增大；参考附图4，当受到外部应力(生物体的机械能)作用时，所述应力传感层1由于其内的内建电场形成而导致源漏电流(IDS)会增加，当外部应力(生物体的机械能)去除时，所述应力传感层1的内部极化消失，由于压电效应产生的内建电场消失，从而源漏电流(IDS)恢复为未受到外部应力(生物体的机械能)前的数值，电信号的外部表现则为外部应力(生物体的机械能)越大，源漏电流(IDS)越大，电信号输出越强。

根据上述所列，本发明双栅薄膜晶体管、传感器及制作方法至少具有下列优点：在底栅极和顶栅极之间加设应力传感层，且应力传感层与顶栅极和底栅极之间均由底栅极绝缘层隔开；对底栅极和顶栅极施加电压，通过栅极有效电压使得整体晶体管作为电信号的开关，用以将外部压力(生物体的机械能)通过电信号的形式展现出来；当在底栅极施加的第一预设电压大于在顶栅极上施加的第二预设电压时，所述压力传感层形成内建电场，抵消底栅极与顶栅极之间的部分电压，降低底栅极与顶栅极之间的有效栅电压，使得源漏电流与外部压力(生物体的机械能)成反比，在电信号上则表现为外部压力越大电信号越弱；反之，当在底栅极施加的第一预设电压小于在顶栅极上施加的第二预设电压，所述压力传感层形成内建电场，增加底栅极与顶栅极之间的电压，增强底栅极与顶栅极之间的有效电压，使得源漏电流与外部压力(生物体的机械能)成正比，在电信号上则表现为外部压力(生物体的机械能)越大电信号越强；双栅薄膜晶体管体积小，灵敏度高，放大信号效率高。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，具体的理解为：可以同时包含有A与B，可以单独存在A，也可以单独存在B，能够具备上述三种任一中情况。

进一步的，参考附图1，本发明的一个实施例提供一种双栅薄膜晶体管，在具体实施中，所述应力传感层1位于所述底栅极2的正投影上方。

具体的，为了有效抵消或增强所述底栅极2和所述顶栅极3之间的栅极电压，本发明采取的技术方案中，将所述应力传感层1设置在所述底栅极2的正投影上方，也就是说所述应力传感层1在所述底栅极2的上方与其正对应，以便于在所述应力传感层1内形成内建电场时能够与所述底栅极2和所述顶栅极3之间的电场正对应的进行抵消或增强，提高效率。

进一步的，本发明的一个实施例提供一种双栅薄膜晶体管，在具体实施中，所述应力传感层1的正投影覆盖所述底栅极1。

具体的，有效抵消或增强所述底栅极2和所述顶栅极3之间的栅极电压，本发明采取的技术方案中，将所述应力传感层1设置为至少与所述底栅极1同样大，以便于在所述应力传感层1内形成内建电场时能够将与所述底栅极2和所述顶栅极3之间的完全对应的内建电场进行抵消或增强。

实施例2

进一步的，本发明实施例提供的一种双栅薄膜晶体管，在具体实施中，所述应力传感层1包括多个应力传感单元；

所述应力传感单元包括压电材料、底栅极绝缘层4，所述压电材料的上下两端分别设置所述底栅极绝缘层4；

其中，所述多个应力传感单元层叠设置。

具体的，为了提高所述双栅薄膜晶体管的灵敏度，本发明采取的技术方案中，将所述应力传感层1设计多层结构，即底栅极绝缘层4、压电材料、底栅极绝缘层4为一层，相同的结构多层层叠设置，且两端必须为底栅极绝缘层4；其中相邻层的相邻压电材料之间的两层底栅极绝缘层4可以共用同一层，进而提升压电效应对电信号的影响。

进一步的，参考附图1，本发明实施例提供的一种双栅薄膜晶体管，在具体实施中，还包括衬底6、有源层5、源/漏电极7以及顶栅极绝缘层8；

所述衬底6设置在所述底栅极2下方；

所述顶栅极绝缘层8、所述源/漏电极7以及所述有源层5由上至下依次设置在所述顶栅极3下方。

实施例3

进一步的，参考附图5，本发明实施例提供的前述实施例所述的双栅薄膜晶体管的制作方法，包括如下步骤：

S1、对衬底9进行清洗；

S2、在衬底9上制备底栅极2，并对其进行图形化处理,所述底栅极2的制作材料可以为金属导电材料和氧化物导电材料；

S3、在所述底栅极2上制备底栅极绝缘层4，并对其进行图形化处理，所述底栅极绝缘层4的制作材料可以为氮化硅(SiN_x)、氧化铝(Al₂O₃)和二氧化硅(SiO₂)等绝缘材料；

S4、在所述底栅极绝缘层4上制备应力传感层1，并对其进行图形化处理，所述应力传感层1的正投影应该至少与所述底栅极2相重合，所述应力传感层1的制作材料为氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)和氮化铝(AlN)等压电材料；

S5、在所述应力传感层1上制备底栅极绝缘层4，并对其进行图形化处理，使所述应力传感层1包裹在相邻两底栅极绝缘层4之间；

S6、在所述底栅极绝缘层4上制备有源层5，并对其进行图形化处理，所述有源层5的制作材料可以为a-Si、多晶硅和氧化物等半导体材料；

S7、在所述有源层5上制备源/漏电极7，并对其进行图形化处理，所述源/漏电极7的制作材料可以为金属导电材料和氧化物导电材料；

S8、在所述源/漏电极7上制备顶栅极绝缘层8，并对部分所述源/漏电极7进行覆盖，防止其与所述顶栅极3接触，所述顶栅极绝缘层8的制作材料与所述底栅极绝缘层4的制作材料相同；

S9、在所述顶栅极绝缘层8上方沉积顶栅极3，并对其进行图形化处理，所述顶栅极3的制作材料与所述底栅极2的制作材料相同。

具体的，上述方法包括了实施例求和实施例2所述的双栅薄膜晶体管的制备全过程，因除了S4为新增其余均为现有技术中常用的处理方法，因而并未进行区分，在此也不做过多赘述，若单独针对实施例1所述的双栅薄膜晶体管的制作方法则可以由S2进行至S5再至S9即可。

实施例4

进一步的，参考附图6，本发明实施例提供的一种传感器，在具体实施中，包括多个前述实施例所述的双栅薄膜晶体管。

具体的，为了提高压电传感器的灵敏度且保证其集成度和轻薄度，本发明采取的技术方案中，将多个所述双栅薄膜晶体管组合在一起，形成集成电路，用于压电传感器或生物传感器，用于检测生物体的机械能并进行表征，例如：心跳、呼吸、血液流动和肺部扩张/收缩等会产生外部应力的生物活动。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，因而以上实施例之间可以进行结合，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种双栅薄膜晶体管，其特征在于，其包括：

应力传感层，所述应力传感层设置于底栅极和顶栅极之间，且所述应力传感层与所述底栅极和所述顶栅极之间均设有底栅极绝缘层；

其中，对所述底栅极施加第一预设电压，对所述顶栅极施加第二预设电压，所述第一预设电压大于所述第二预设电压，在所述应力传感层形成内建电场降低所述底栅极和所述顶栅极之间的有效栅极电压，则源漏电流与外部压力成反比；

或所述第一预设电压小于所述第二预设电压，在所述应力传感层形成内建电场增强所述底栅极和所述顶栅极之间的有效栅极电压，则源漏电流与外部压力成正比。

2.根据权利要求1所述的双栅薄膜晶体管，其特征在于：

所述应力传感层为压电材料。

3.根据权利要求2所述的双栅薄膜晶体管，其特征在于：

所述应力传感层位于所述底栅极的正投影上方。

4.根据权利要求3所述的双栅薄膜晶体管，其特征在于：

所述应力传感层的正投影覆盖所述底栅极。

5.根据权利要求1所述的双栅薄膜晶体管，其特征在于：

所述应力传感层包括多个应力传感单元；

所述应力传感单元包括压电材料、底栅极绝缘层，所述压电材料的上下两端分别设置所述底栅极绝缘层；

其中，所述多个应力传感单元层叠设置。

6.根据权利要求3所述的双栅薄膜晶体管，其特征在于：

还包括衬底、有源层、源/漏电极以及顶栅极绝缘层；

所述衬底设置在所述底栅极下方；

所述顶栅极绝缘层、所述源/漏电极以及所述有源层由上至下依次设置在所述顶栅极下方。

7.一种传感器，其特征在于，其包括：

多个权利要求1-6中任一所述的双栅薄膜晶体管。

8.制作权利要求1-6所述双栅薄膜晶体管的方法，其特征在于，其包括如下步骤：

在衬底上制备底栅极，并对其进行图形化处理；

在所述底栅极上制备底栅极绝缘层，并对其进行图形化处理；

在所述底栅极绝缘层上制备应力传感层，并对其进行图形化处理；

在所述应力传感层上制备底栅极绝缘层，并对其进行图形化处理，使所述应力传感层包裹在相邻两底栅极绝缘层之间；

在所述底栅极绝缘层上方沉积顶栅极，并对其进行图形化处理。

9.根据权利要求8所述制备权利要求1-6所述双栅薄膜晶体管的方法，其特征在于，所述在衬底上制备底栅极，并对其进行图形化处理的方法；

之前还包括所述彻底的预处理，对所述衬底进行清洗。

10.根据权利要求8所述制备权利要求1-6所述双栅薄膜晶体管的方法，其特征在于，在所述应力传感层上制备底栅极绝缘层，并对其进行图形化处理，使所述应力传感层包裹在相邻两底栅极绝缘层之间的方法：

之后还包括：

在所述底栅极绝缘层上制备有源层，并对其进行图形化处理；

在所述有源层上制备源/漏电极，并对其进行图形化处理；

在所述源/漏电极上制备顶栅极绝缘层，并对部分所述源/漏电极进行覆盖，防止其与所述顶栅极接触。