CN110911497A - 柔性氧化铟镓薄膜晶体管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及柔性电子器件，为提出柔性晶体管结构及制作工艺，本发明采取的技术方案是，柔性氧化铟镓薄膜晶体管及其制造方法，包括由下至上依次设置的柔性衬底，衬底包括聚对苯二甲酸乙二醇PET塑料基板和基于环氧SU8树脂的光刻胶粘合层，用来支撑柔性薄膜晶体管，柔性氧化物薄膜晶体管制作在PET塑料基板上，在PET塑料上表面有一层SU8材料层，作为PET基板与薄膜晶体管之间的粘合层，衬底及SU8材料层上面是一层氧化铝薄膜作为栅绝缘层，绝缘层上面是一层氧化铟镓薄膜作为有源层，氧化铟镓薄膜上面两侧分别是作为源极和漏极的氧化铟锡ITO薄膜。本发明主要应用于柔性电子器件设计制造场合。
Description
技术领域
本发明涉及柔性电子器件，具体涉及柔性氧化铟镓薄膜晶体管及其制作方法。
背景技术
近年来柔性电子器件以其结构轻薄、可弯曲折叠、机械性能稳定、高效及更轻的质量和低成本制造工艺等特点得到国内外广泛关注和研究。各种各样的电子产品被开发出来，低频领域包括柔性显示、电子标签以及一些低成本集成电路，高频领域的应用包括仿真皮肤、柔性光电探测器、太阳能阵列电路，生物医学传感器等。柔性薄膜晶体管是组成这些柔性电路的必不可少的元件之一。而传统的柔性有机薄膜晶体管往往存在着迁移率低这一问题，难以用于高频器件，而氧化薄膜晶体管兼具较高的载流子迁移率和均匀的电学性能，本发明将柔性衬底与氧化薄膜晶体管相结合，可以用于制作高频的柔性半导体器件。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出柔性晶体管结构及制作工艺，本发明采取的技术方案是，柔性氧化铟镓薄膜晶体管，包括由下至上依次设置的柔性衬底，衬底包括聚对苯二甲酸乙二醇PET塑料基板和基于环氧SU8树脂的光刻胶粘合层，用来支撑柔性薄膜晶体管，柔性氧化物薄膜晶体管制作在PET塑料基板上，在PET塑料上表面有一层SU8材料层，作为PET基板与薄膜晶体管之间的粘合层，衬底及SU8材料层上面是一层氧化铝薄膜作为栅绝缘层，绝缘层上面是一层氧化铟镓薄膜作为有源层，氧化铟镓薄膜上面两侧分别是作为源极和漏极的氧化铟锡ITO薄膜。
柔性氧化铟镓薄膜晶体管制作方法，采用真空电子束蒸镀在PET衬底上镀上铝膜作为柔性薄膜晶体管的栅极；随后采用阳极氧化法在栅极表面形成一层氧化铝Al2O3薄膜作为栅绝缘层；然后在基板上沉积一层InGaO薄膜，并通过光刻法图案化作为柔性薄膜晶体管的有源层；最后在基板上沉积一层氧化铟锡薄膜并通过剥离的方法图案化成为晶体管的源漏极，完成晶体管的制备。
具体步骤如下：
a.选用PET柔性材料作为衬底，首先将PET放进盛有丙酮溶液的烧杯中，然后在超声波清洗器中清洗5分钟，随后使用异丙醇溶液将用丙酮清洗过的PET在超声波清洗器中将丙酮清洗干净，得到PET衬底；
b..采用真空电子束蒸镀方法在PET衬底上镀一层铝膜，通过光刻工艺图案化作为栅极；
c.采用阳极氧化法在栅极表面形成一层氧化铝Al2O3薄膜作为栅绝缘层；
d.在基板上使用氧化铟In2O3和氧化镓Ga2O3靶通过共溅射法合成沉积一层的InGaO薄膜；
e.在InGaO表面涂上1813正型光刻胶，并使用匀胶机将光刻胶甩均匀，随后使用光刻机以及制作好的掩膜版进行光刻形成特定的掺杂区图案，随后采用离子注入的方式进行P型注入，产生有源轻掺杂区；
f.通过真空电子束蒸镀的方式在光刻胶上特定区域沉积一层的氧化铟锡ITO薄膜，通过剥离的方法图形化作为晶体管的源漏极，在750℃的温度条件下，快速热退火10s之后，在丙酮溶液中除去光刻胶，器件制备完成。
本发明的特点及有益效果是：
本发明中的器件有较高的集成度，有更为广泛范围的应用。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、高速器件等方面取得更为广泛的应用。
附图说明：
图1示出柔性氧化铟镓薄膜晶体管的侧视图，其中PET作为柔性衬底，Al为金属栅极，氧化铝为栅绝缘层，InGaO为有源区，左右两端的ITO分别为源极和漏极；
图2示出柔性氧化铟镓薄膜晶体管的俯视图；
图3示出柔性氧化铟镓薄膜晶体管的工作原理图，当对金属底栅施加的电压比较小的时候，氧化铟镓未产生反型层，即使对源漏施加电压也不会有电流通过，晶体管处于未导通状态。当电压足够大的时候，氧化铟镓靠近氧化铝的一层会产生反型层，表面会有一层薄薄的电子层，此时晶体管处于导通状态，当在N型的源漏极施加偏压的时候就会有电流通过。本发明中的器件有较高的集成度，有更为广泛范围的应用。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、高速器件等方面取得更为广泛的应用。
具体实施方式
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可应用在柔性射频领域的柔性氧化铟镓薄膜晶体管及制造方法。
本发明采用的技术方案是：一种基于柔性衬底的柔性氧化铟镓薄膜晶体管，包括由下至上依次设置的柔性衬底，衬底包括聚对苯二甲酸乙二醇PET塑料基板和基于环氧SU8树脂的光刻胶粘合层，用来支撑柔性薄膜晶体管，柔性氧化物薄膜晶体管制作在PET塑料基板上，在PET塑料上表面有一层SU8材料层，作为PET基板与薄膜晶体管之间的粘合层。衬底上面是一层氧化铝薄膜作为栅绝缘层，绝缘层上面是一层氧化铟镓薄膜作为有源层，氧化铟镓薄膜上面两侧分别是作为源极和漏极的氧化铟锡(ITO)薄膜。
具体步骤细化为：
a.选用PET柔性材料作为衬底，首先将PET放进盛有丙酮溶液的烧杯中，然后在超声波清洗器中清洗5分钟，随后使用异丙醇溶液将用丙酮清洗过的PET在超声波清洗器中将丙酮清洗干净，得到PET衬底；
b..采用真空电子束蒸镀方法在PET衬底上镀一层300nm的铝膜，通过光刻工艺图案化作为栅极；
c.采用阳极氧化法在栅极表面形成一层200nm的氧化铝(Al2O3)薄膜作为栅绝缘层
d.在基板上使用氧化铟(In2O3)和氧化镓(Ga2O3)靶通过共溅射法合成沉积一层厚度为45nm的InGaO薄膜，两个靶材的溅射功率均设置为450W，所得薄膜的铟镓摩尔比为1∶0.5，溅射气压为0.7Pa，溅射过程的氩气/氧气流量比为50∶6；
e.在InGaO.表面涂上1813正型光刻胶，并使用匀胶机，设置转速为4000rpm,转动时间为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定的掺杂区图案，随后采用离子注入的方式进行P型注入，参数为注入能量为20Kev，剂量为4*1011cm2，产生有源轻掺杂区。
f.通过真空电子束蒸镀的方式在光刻胶上特定区域沉积一层厚度为200nm的氧化铟锡(ITO)薄膜，通过剥离的方法图形化作为晶体管的源漏极，在750℃的温度条件下，快速热退火10s之后，在丙酮溶液中除去光刻胶，器件制备完成。
本发明的特点及有益效果是：
本发明在PET塑料衬底上制备晶体管，实现器件的弯曲特性，此外相比较于传统硅衬底，能极大的改善器件的寄生效应，提高工作频率以及响应速度,可以实现弯曲状态下的晶体管的正常工作，大幅度提高栅极的控制能力，在智能穿戴柔性电子产品上实现广泛的应用。
下面结合附图和具体实例进一步详细说明本发明。
本发明的技术方案在于采用真空电子束蒸镀在PET衬底上镀上铝膜作为柔性薄膜晶体管的栅极；随后采用阳极氧化法在栅极表面形成一层氧化铝(Al2O3)薄膜作为栅绝缘层；然后在基板上沉积一层InGaO薄膜，并通过光刻法图案化作为柔性薄膜晶体管的有源层；最后在基板上沉积一层氧化铟锡薄膜并通过剥离的方法图案化成为晶体管的源漏极，完成晶体管的制备。
该柔性氧化铟镓薄膜晶体管的工作原理在于在铝栅电极施加偏压，在有源层靠近氧化铝绝缘层的部分会形成反型层作为器件的导电沟道，器件导通，随后在源漏电极之间加上偏压，器件将会开始工作，通过栅压控制器件是否导通以及器件源漏之间电流的原理。而柔性衬底可以减少传统硅基衬底MOSFTT晶体管的寄生效应，并可以在不同的弯曲程度之下工作，为高性能柔性电路的大规模集成以及可穿戴电子设备的广泛应用提供了可能。
具体的制作工艺如下
a.选用PET柔性材料作为衬底，首先将PET放进盛有丙酮溶液的烧杯中，然后在超声波清洗器中清洗5分钟，随后使用异丙醇溶液将用丙酮清洗过的PET在超声波清洗器中将丙酮清洗干净，得到PET衬底；
b..采用真空电子束蒸镀方法在PET衬底上镀一层300nm的铝膜，通过光刻工艺图案化作为栅极；
c.采用阳极氧化法在栅极表面形成一层200nm的氧化铝(Al2O3)薄膜作为栅绝缘层
d.在基板上使用氧化铟(In2O3)和氧化镓(Ga2O3)靶通过共溅射法合成沉积一层厚度为45nm的InGaO薄膜，两个靶材的溅射功率均设置为450W，所得薄膜的铟镓摩尔比为1∶0.5，溅射气压为0.7Pa，溅射过程的氩气/氧气流量比为50∶6；
e.在InGaO.表面涂上1813正型光刻胶，并使用匀胶机，设置转速为4000rpm,转动时间为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定的掺杂区图案，随后采用离子注入的方式进行P型注入，参数为注入能量为20Kev，剂量为4*1011cm2，产生有源轻掺杂区。
f.通过真空电子束蒸镀的方式在光刻胶上特定区域沉积一层厚度为200nm的氧化铟锡(ITO)薄膜，通过剥离的方法图形化作为晶体管的源漏极，在750℃的温度条件下，快速热退火10s之后，在丙酮溶液中除去光刻胶，器件制备完成。
Claims (3)
1.一种柔性氧化铟镓薄膜晶体管，其特征是，包括由下至上依次设置的柔性衬底，衬底包括聚对苯二甲酸乙二醇PET塑料基板和基于环氧SU8树脂的光刻胶粘合层，用来支撑柔性薄膜晶体管，柔性氧化物薄膜晶体管制作在PET塑料基板上，在PET塑料上表面有一层SU8材料层，作为PET基板与薄膜晶体管之间的粘合层，衬底及SU8材料层上面是一层氧化铝薄膜作为栅绝缘层，绝缘层上面是一层氧化铟镓薄膜作为有源层，氧化铟镓薄膜上面两侧分别是作为源极和漏极的氧化铟锡ITO薄膜。
2.一种柔性氧化铟镓薄膜晶体管制作方法，其特征是，采用真空电子束蒸镀在PET衬底上镀上铝膜作为柔性薄膜晶体管的栅极；随后采用阳极氧化法在栅极表面形成一层氧化铝Al2O3薄膜作为栅绝缘层；然后在基板上沉积一层InGaO薄膜，并通过光刻法图案化作为柔性薄膜晶体管的有源层；最后在基板上沉积一层氧化铟锡薄膜并通过剥离的方法图案化成为晶体管的源漏极，完成晶体管的制备。
3.如权利要求2所述的柔性氧化铟镓薄膜晶体管制作方法，其特征是，具体步骤如下：
a.选用PET柔性材料作为衬底，首先将PET放进盛有丙酮溶液的烧杯中，然后在超声波清洗器中清洗5分钟，随后使用异丙醇溶液将用丙酮清洗过的PET在超声波清洗器中将丙酮清洗干净，得到PET衬底；
b.采用真空电子束蒸镀方法在PET衬底上镀一层铝膜，通过光刻工艺图案化作为栅极；
c.采用阳极氧化法在栅极表面形成一层氧化铝Al2O3薄膜作为栅绝缘层；
d.在基板上使用氧化铟In2O3和氧化镓Ga2O3靶通过共溅射法合成沉积一层的InGaO薄膜；
e.在InGaO表面涂上1813正型光刻胶，并使用匀胶机将光刻胶甩均匀，随后使用光刻机以及制作好的掩膜版进行光刻形成特定的掺杂区图案，随后采用离子注入的方式进行P型注入，产生有源轻掺杂区；
f.通过真空电子束蒸镀的方式在光刻胶上特定区域沉积一层的氧化铟锡ITO薄膜，通过剥离的方法图形化作为晶体管的源漏极，在750℃的温度条件下，快速热退火10s之后，在丙酮溶液中除去光刻胶，器件制备完成。
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2019
- 2019-11-20 CN CN201911140740.4A patent/CN110911497A/zh active Pending
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