CN109767989A - 柔性衬底的薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微电子器件领域，具体要求保护一种利用溶液法与异质结导电原理的低成本薄膜晶体管及其制备方法。该器件以柔性材料为基底，在上面设置有基于溶液法制备的栅极、绝缘层、异质结半导体层与源、漏电极。其中栅、源、漏三电极成份皆为由水溶液法制备的ITO材料，并且利用改变亲水性方法来将栅极图案化。绝缘层成份为水溶液法制备的Al2O3/ZrO2叠层，并且通过掺杂Li元素来提高介电常数，起到提高整个器件性能的作用。半导体层为ZnO/In2O3叠层，这种结构可以形成异质结，基于二维电子气原理来提高电子迁移率。整个制备工艺可在非真空大气条件下进行，并且温度不超过200度，生产成本较低，同时全器件为透明器件，可在光学领域中有重要应用。
Description
技术领域
本发明电子技术领域，具体涉及一种电子器件，特别涉及一种基于柔性衬底与Li掺杂绝缘层的异质结薄膜晶体管。
背景技术
近些年来，包括有源矩阵液晶显示器(AMLCD)与有源矩阵有机发光二极体(AMOLED)的平板显示器(FPD)在提高分辨率、屏幕面积与降低功耗方面的需求与日俱增。薄膜晶体管(TFT)是FPD在生产应用中的关键器件。而比较高载流子迁移率、透明度、均匀性以及电稳定性使得金属氧化物被认为是可以取代传统非晶硅作为TFT中半导体的重要材料。传统半导体金属氧化物的制备工艺一般需要基于真空环境进行，并且需要较高的退火温度，这不利于电子器件的大规模、低成本的生产应用。溶液法于之相比，具有工艺简单、可在空气中低退火温度下进行的优点，因此可以应用于柔性衬底上制造柔性器件并且大幅降低生产成本。目前，利用比较热门的金属氧化物半导体材料如氧化铟(In2O3)与氧化锌(ZnO)等，已经可以通过溶液法制备出性能可比拟基于传统真空工艺成膜的薄膜晶体管。然而，由ZnO与InO自上而下制成的叠层的半导体层，可形成类似于传统高电子迁移率晶体管(HEMT)的异质结结构，在两层之间形成二维电子气，减少声子散射，从而大幅度提高薄膜晶体管的电子迁移率。除此之外，绝缘层也是影响薄膜晶体管电学性能的重要因素。比起传统的二氧化硅(SiO2)，溶液法制备的高介电常数材料，如Al2O3、ZrO2、HfO2、Y2O3等，具有低驱动电压、增加器件整体器件电子迁移率等优点。然而，在这些材料中，高的介电常数往往意味着窄的禁带宽度，比如：ZrO2的介电常数(>20)相较于Al2O3的介电常数(～9)要高，但是ZrO2的禁带宽度(5.8eV)相较于Al2O3的禁带宽度(8.7eV)就低了很多，而研究认为宽的禁带宽度可以有效减少器件的漏电。经实验发现，相较于单层的绝缘层，叠层的结构可以有效的在降低漏电的同时提高绝缘层整体的介电常数，从而提高电子迁移率。与此同时，碱金属，如Li+离子，的掺杂可以夹在相邻的绝缘层金属与氧原子之间形成一种类似于三明治的结构，这种结构也可以使得介电常数上升。
发明内容
本发明针对现有ZnO基薄膜晶体管技术的不足，提供了柔性衬底如PI、PET等的结合的柔性器件薄膜晶体管及其制备方法。
本发明的第一方面提供了一种柔性衬底的薄膜晶体管制备方法，所述薄膜晶体管包括柔性绝缘衬底，栅电极，绝缘层，半导体层，源电极和漏电极，其制备方法包括：
(1)在柔性绝缘衬底的上表面形成图案化栅电极；
(2)配制水为溶剂的绝缘层前驱体水溶液，然后用旋涂法在栅电极和柔性绝缘衬底上覆盖形成绝缘层；
(3)配制水为溶剂的半导体层前驱体水溶液，然后用旋涂法在绝缘层上形成半导体层；
(4)在半导体层上表面分别形成源电极和漏电极。
优选地，所述绝缘层包括ZrO2层和Li掺杂Al2O3层，各层厚度均为60nm左右
优选地，所述半导体层包括In2O3层和ZnO层；各层厚度均为10nm左右
优选地，所述薄膜晶体管的各层成膜方式为旋涂，然后退火。
优选地，在旋涂溶液成膜各层时，需要先用等离子清洗底层；由于薄膜晶体管的各层皆为疏水材料，因此，需要先用等离子清洗底层来改善亲水性。
优选地，步骤(1)的在柔性绝缘衬底的上表面形成图案化栅电极的具体步骤包括：
(a1)将两块栅电极掩膜板分别覆盖于柔性绝缘衬底上，在衬底的中间部分预留出形成栅电极的沟槽，用等离子清洗剂清洗前述被覆盖的衬底；
(b1)配置电极溶液，并将电极溶液滴于柔性绝缘衬底预留的沟槽中；
(c1)生长栅电极：以4000rpm的速度在空气中旋涂30秒，然后在200℃条件下退火1小时。
上述的栅电极掩膜板为不锈钢掩膜板，其上有与栅电极形状一致的镂空部分。本发明中，栅电极掩膜板为镂空部分为20μm宽、长度不定的长方形形状。
优选地，步骤(4)的在半导体层上表面分别形成源电极和漏电极的具体步骤包括：
(a2)将三块源漏电极掩膜板分别覆盖于半导体层上表面，三块源漏电极掩膜板间隔放置，在半导体层上表面分别预留出形成源、漏电极的两个沟槽，用等离子清洗剂清洗前述被覆盖的半导体层上表面；
(b2)配置电极溶液，并将电极溶液分别滴于半导体层上表面预留的两沟槽中；
(c2)生长电极：以4000rpm的速度在空气中旋涂30秒，然后在200℃条件下退火1小时。
上述的源漏电极掩膜板为不锈钢掩膜板，其上有与源、漏电极形状一致的镂空部分。本发明中，源漏电极掩膜板的镂空部分为由数个宽100μm、长1500μm、中间间隔为100μm的长方形对组成的阵列。
优选地，所述栅电极为ITO材料。
优选地，所述薄膜晶体管的各层成膜方式为将各层前驱体溶液以4000rpm的速度在空气中旋涂，然后在200℃条件下退火。
栅电极的ITO前驱体溶液利用In(NO3)3·3H2O与SnCl2溶于去离子水中，超声15分钟后制成；成膜工艺为该溶液以4000rpm的速度在空气中旋涂30秒，然后在200℃条件下退火1小时。
绝缘层的ZrO2前驱体溶液利用ZrO(NO3)3·xH2O溶于去离子水中，超声15分钟后制成；成膜工艺为该溶液以4000rpm的速度在空气中旋涂40秒，然后在200℃条件下退火1小时。
绝缘层的Li掺杂Al2O3前驱体溶液利用Al(NO3)3·9H2O与CH3COOLi溶于20mL去离子水中，超声15分钟后制成；成膜工艺为该溶液以4000rpm的速度在空气中旋涂40秒，然后在200℃条件下退火1小时。
半导体层的In2O3前驱体溶液利用In(NO3)3·3H2O溶于去离子水中，超声15分钟后制成；成膜工艺为该溶液以3000rpm的速度在空气中旋涂20秒，然后在200℃条件下退火1小时。
半导体层的ZnO前驱体溶液利用Zn(CH3COO)2·2H2O溶于去离子水中，超声15分钟后制成；成膜工艺为该溶液以6000rpm的速度在空气中旋涂30秒，然后在200℃条件下退火1小时。
在柔性衬底上进行等离子清洗时，利用掩模板遮挡非目标区域，仅改善图案化栅电极所需部分的亲水性，从而生长出图案化ITO栅电极。
在半导体层上进行等离子清洗时，利用掩模板遮挡非目标区域，仅改善图案化源、漏电极所需部分的亲水性，从而生长出导电沟道宽长比大于等于10的图案化ITO源、漏电极。
本发明的第二方面提供一种柔性衬底的薄膜晶体管，其由上述方法制备得到，包括自下而上依次层叠的柔性绝缘衬底，栅电极，绝缘层，半导体层，源电极和漏电极，其中柔性绝缘衬底位于薄膜晶体管的最底层，绝缘层覆盖形成在栅电极和柔性绝缘衬底上，源电极和漏电极分别位于半导体层之上且位于薄膜晶体管的最顶层。
优选地，所述绝缘层包括Li掺杂Al2O3层和ZrO2层。
优选地，所述半导体层包括ZnO层和In2O3层。
本发明优选的技术方案中，所述柔性绝缘衬底选自PI或PET透明柔性绝缘材料。
本发明优选的技术方案中，所述半导体层利用处于上层的ZnO的费米能级(-4.37eV)与处于下层的In2O3的费米能级(-4.57eV)差而形成异质结。工作时在两层交界处位于In2O3的一面附近形成二维电子气，具有较高的电子迁移率(>50cm2*V-1*s-1)。
所述电极的图案化原理均为：目标衬底在没有接触等离子清洗的区域因为亲水性不好在旋涂时无法成膜。具体实施方式为：等离子清洗时利用特定的掩模版遮挡进行。
本发明利用等离子清洗对衬底上部分区域亲水性的改变，制造出图案化的栅、源、漏电极，从而降低漏电且实现更复杂的电路功能。本发明即为基于以上原理，提供了一种可应用于柔性衬底的薄膜晶体管及其制备方法。本发明工作时形成的导电沟道为n型，开启电压为0-1V，属于增强型器件。
本发明整个工艺流程中最高温度为200℃，在所选柔性衬底可承受范围内。
本发明的图案化工艺与电极生长工艺比较简单，无需传统意义上的光刻与真空下镀膜，可大幅减少生产时间与经济成本。
附图说明
图1为器件阵列立体效果示意图。
图2a-图2e为实施例2的制作柔性衬底的薄膜晶体管器件各个步骤的示意图。
具体实施方式
以下结合附图描述本发明具体实施方式。
实施例1
如图1所示本发明的柔性衬底的薄膜晶体管，整个器件包括衬底101、栅电极104、绝缘层ZrO2层105、绝缘层Li掺杂Al2O3层106、半导体层In2O3层107、半导体层ZnO层108以及源电极112、漏电极113。
一种柔性衬底的薄膜晶体管制备方法
实施例2
制备柔性衬底的薄膜晶体管工艺流程，其步骤为(柔性衬底以PI为例)：
(1)清洗PI衬底：具体清洗流程为丙酮超声20min，乙醇超声20min，去离子水冲洗，氮气吹干，
(2)对PI衬底进行PLASMA处理：将镂空部分为20μm宽、长度大于10000μm的长方形特定掩膜板102、103覆盖于衬底之上，用等离子清洗剂清洗30分钟，如图2a所示；
(3)配置电极溶液，将0.902g In(NO3)3·3H2O与0.420g SnCl2溶于20mL去离子水中，超声15分钟制成溶液①并滴于PI衬底之上，
(4)生长栅电极：以4000rpm的速度在空气中旋涂30秒，然后在200℃条件下退火1小时，如图2b所示制成图案化栅电极104，
(5)分别配置ZrO2、Li掺杂Al2O3、In2O3以及ZnO前驱体溶液：a.将1.560g ZrO(NO3)3·xH2O溶于20mL去离子水中，超声15分钟，得到溶液②；b.将4.500g Al(NO3)3·9H2O与0.015g CH3COOLi溶于20mL去离子水中，超声15分钟得到溶液③；c.将0.762g In(NO3)3·3H2O溶于20mL去离子水中，超声15分钟得到溶液④；d.将0.630g Zn(CH3COO)2·2H2O溶于20mL去离子水中，超声15分钟得到溶液⑤。
(6)生长绝缘层与半导体层：将衬底进行30分钟等离子清洗后，滴溶液②于其上，然后依次以4000rpm的速度在空气中旋涂40秒，在200℃条件下退火1小时，得到绝缘层105；将绝缘层105进行30分钟等离子清洗后，滴溶液③于其上，然后依次以4000rpm的速度在空气中旋涂40秒，在200℃条件下退火1小时，得到绝缘层106；将106进行30分钟等离子清洗后，滴溶液④于其上，然后依次以3000rpm的速度在空气中旋涂20秒，在200℃条件下退火1小时，得到半导体层107；将半导体层107进行30分钟等离子清洗后，滴溶液⑤于其上，然后依次以6000rpm的速度在空气中旋涂30秒，在200℃条件下退火1小时，得到半导体层108，如图2c所示。
(7)生长源、漏电极：在半导体层108上覆盖源、漏电极掩膜板109、110、111，经30分钟等离子清洗后将溶液①滴于其上，并重复步骤(4)，得到器件结构如图2d，最后得到柔性衬底的薄膜晶体管结构如图2e所示。
该方法制成的薄膜晶体管电子迁移率约为55cm2*V-1*s-1、开启电压为0.5V、亚阈值幅摆0.3V/dec，并且具有较小的回滞。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (10)
1.一种柔性衬底的薄膜晶体管制备方法，所述薄膜晶体管包括柔性绝缘衬底，栅电极，绝缘层，半导体层，源电极和漏电极，其制备方法包括：
(1)在柔性绝缘衬底的上表面形成图案化栅电极；
(2)配制水为溶剂的绝缘层前驱体水溶液，然后用旋涂法在栅电极和柔性绝缘衬底上覆盖形成绝缘层；
(3)配制水为溶剂的半导体层前驱体水溶液，然后用旋涂法在所述绝缘层上形成半导体层；
(4)在所述半导体层上表面分别形成源电极和漏电极。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述绝缘层包括ZrO2层和Li掺杂Al2O3层。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述半导体层包括In2O3层和ZnO层。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述薄膜晶体管的各层成膜方式为旋涂，然后退火。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在旋涂溶液成膜各层时，需要先用等离子清洗底层。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)的在柔性绝缘衬底的上表面形成图案化栅电极的具体步骤包括：
(a1)将两块栅电极掩膜板分别覆盖于柔性绝缘衬底上，在衬底的中间部分预留出形成栅电极的沟槽，用等离子清洗剂清洗前述被覆盖的衬底；
(b1)配置电极溶液，并将电极溶液滴于柔性绝缘衬底预留的沟槽中；
(c1)生长栅电极：以4000rpm的速度在空气中旋涂30秒，然后在200℃条件下退火1小时。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)的在所述半导体层上表面分别形成源电极和漏电极的具体步骤包括：
(a2)将三块源漏电极掩膜板分别覆盖于半导体层上表面，三块源漏电极掩膜板间隔放置，在半导体层上表面分别预留出形成源、漏电极的两个沟槽，用等离子清洗剂清洗前述被覆盖的半导体层上表面；
(b2)配置电极溶液，并将电极溶液分别滴于半导体层上表面预留的两沟槽中；
(c2)生长电极：以4000rpm的速度在空气中旋涂30秒，然后在200℃条件下退火1小时。
8.一种柔性衬底的薄膜晶体管，其由前述权利要求1-7任一项方法制备得到，包括自下而上依次层叠的柔性绝缘衬底，栅电极，绝缘层，半导体层，源电极和漏电极，其中柔性绝缘衬底位于薄膜晶体管的最底层，绝缘层覆盖形成在栅电极和柔性绝缘衬底上，源电极和漏电极分别位于半导体层之上且位于薄膜晶体管的最顶层。
9.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述绝缘层包括Li掺杂Al2O3层和ZrO2层；所述半导体层包括ZnO层和In2O3层。
10.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述半导体层利用处于上层的ZnO的费米能级-4.37eV与处于下层的In2O3的费米能级-4.57eV差而形成异质结。半导体叠层之间形成二维电子气。
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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 | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190517 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |