CN112636002A - 一种基于tft工艺的可调谐超材料器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种基于TFT工艺的可调谐超材料器件及其制作方法，包括：TFT单元；多个导电层，形成在所述TFT单元上并且通过通孔与所述TFT单元的源/漏极电联接；以及超材料单元，至少部分地形成在所述多个导电层中的一个或多个中并通过所述通孔与所述源/漏极电联接。该器件不仅易于实现可控超材料阵列，进而大面积生产可控超材料调控系统，与TFT工艺兼容性强、稳定性高，可以实现规模化生产，从而降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及超材料技术领域，尤其涉及一种基于TFT工艺的可调谐超材料器件及其制作方法。
背景技术
超材料(Metamaterials)，又称人工特异性材料，是一种按照一定规律进行排列分布的人工电磁媒质。超材料具有自然界材料所不具有的可设计性、可重构性、可编程性等优点，因而凭借其材料的本征性质、单元排列方式及其亚波长结构等优势，成为在微米甚至纳米尺度下操控电磁波的重要工具。超材料能够实现天然材料无法实现的电磁响应特性，其相关研究覆盖了从微波到可见光波段，在实现太赫兹波的控制、研发相关太赫兹功能器件以及新一代无线通信技术领域中尤为重要。
近年来，有关超材料的研究不断涌现，包括将二极管、液晶、石墨烯等集成到超材料单元中，通过外加激励的变化来改变超材料的电磁响应。但是，目前对超材料进行调制的控制方式通常采用独立器件对超材料单元进行调制，或者通过半导体载流子浓度的改变来对超材料进行调制。这种控制方式存在兼容性差、良率低、难以规模化生产、研发成本高等诸多问题，并且控制可靠性和响应速度也有待进一步提高。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明实施例提供一种基于TFT工艺的超材料器件及其制作方法，用以解决现有技术中的上述技术问题。
具体地，本发明实施例提供了以下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种基于TFT工艺的可调谐超材料器件，包括：TFT单元；多个导电层，形成在所述TFT单元上并且通过通孔与所述TFT单元的源/漏极电联接；以及超材料单元，至少部分地形成在所述多个导电层中的一个或多个中并通过所述通孔与所述源/漏极电联接。
进一步地，该基于TFT工艺的可调谐超材料器件进一步包括：TFT兼容电路，电联接到所述栅极以通过控制所述栅极的电压来对所述超材料单元的电磁响应特性进行调制。
进一步地，所述TFT兼容电路包括：数字化控制单元，控制所述TFT单元的截止与导通以对所述超材料单元的电磁响应特性进行数字化调制；和/或模拟化控制单元，控制所述栅极的沟道电压以对所述超材料单元的电磁响应特性进行模拟化调制。
进一步地，一个所述TFT单元对应一个或多个所述超材料单元。
进一步地，所述超材料单元为线状结构、十字结构、渔网结构、矩形环结构、圆形环结构、回字状结构、开口谐振环中的一种或多种。
进一步地，所述超材料单元由铝、铜、银、钴、钛、氧化铟锡、金、铁、铂、钼、铬、钨、镍中的一种或多种构成。
进一步地，所述TFT单元为氧化物薄膜晶体管、非晶硅薄膜晶体管、有机薄膜晶体管和多晶硅薄膜晶体管中的一种或多种。
进一步地，所述TFT单元的结构为顶栅顶接触型、顶栅底接触型、底栅顶接触型、底栅底接触型中的一种。
第二方面，本发明提供一种根据以上所述的基于TFT工艺的可调谐超材料器件的制作方法，包括：制作TFT单元；在TFT单元上形成多个导电层，使得所述多个导电层通过通孔与所述TFT单元的源/漏极电联接；以及部分地在所述多个导电层中的一个或多个导电层中形成超材料单元，使得所述超材料单元通过所述通孔与所述TFT单元的源/漏极电联接。
本发明提供的基于TFT工艺的可调谐超材料器件，基于TFT工艺将超材料单元部分地形成在导电层中，与TFT的源/漏极电联接，使得超材料单元与TFT集成。由此，可以通过TFT的控制来对超材料单元调制，避免使用独立器件对超材料进行调制。不仅易于实现可控超材料阵列，进而大面积生产可控超材料调控系统，并且与TFT工艺兼容性强、稳定性高，可以实现规模化生产，从而降低生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明一实施例的基于TFT工艺的可调谐超材料器件的结构剖视图；
图2至图5是根据本发明一实施例的TFT单元的结构剖视图；
图6是根据本发明一实施例的TFT单元和导电层的结构剖视图；
图7至图9是根据本发明一实施例的基于TFT工艺的可调谐超材料器件的具体结构剖视图；
图10至图11是根据本发明一实施例的超材料单元的俯视图。
附图标记：
100：TFT单元； 110：衬底； 120：栅极；
130：源/漏极； 140：绝缘层； 150：沟道层；
200：导电层； 210：介质层； 220：通孔；
230：保护层； 300：超材料单元。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如上所述，在现有技术中，可调谐超材料器件通常采用独立器件类进行调制，不仅不利于规模化生产，而且制造成本高。为此，本发明提供了一种基于TFT工艺的可调谐超材料器件及其制作方法，下面将通过具体实施例对本发明提供的内容进行详细解释和说明。
图1是根据本发明一实施例的基于TFT工艺的可调谐超材料器件的结构剖视图。参照图1，根据本发明一实施例的基于TFT工艺的可调谐超材料器件包括：
TFT单元100，包括衬底110以及设置在所述衬底110上的栅极120和源/漏极130；
多个导电层200，形成在所述TFT单元100上并且通过通孔220与所述TFT单元100的源/漏极电130联接；以及
超材料单元300，至少部分地形成在所述多个导电层200中的一个或多个中并通过所述通孔220与所述源/漏极130电联接。
在本实施例中，需要说明的是，TFT(Thin Film Transistor)为薄膜晶体管，是一种绝缘栅场效应晶体管。它是通过将有源半导体层、介电层和金属触点的薄膜沉积在衬底上制成的。通过改变在栅极加入的电压改变栅极绝缘层电场，从而改变源、漏极间电子迁移率。目前主要应用在液晶显示器背板上，在当前显示行业尤为重要。在逻辑电路领域，互补TFT结构，不仅拥有互补的p型和n型晶体管的优点，还可以利用传统Si CMOS的电路技术。TFT具有节能、成本低、易规模化生产、相对于尺寸不断缩小的晶体管而言避免了量子隧穿效应引起的漏电流及功耗高问题等优点。另外，由于其具有优异的应力稳定性和较宽的禁带宽度，TFT可应用于一些独特的传感器领域。随着TFT制备工艺的发展，TFT的电子迁移率不断增加，电流驱动力逐渐增强，且工艺一致性和稳定性已满足大规模生产需求。
在本实施例中，需要说明的是，图1所示的TFT单元的结构时示意性的，图1所示的TFT单元100为低栅顶接触型，如下文将介绍的，TFT单元100的结构还可以包括顶栅顶接触型、顶栅底接触型、底栅顶接触型中的任意一种。
在本实施例中，基于TFT工艺的可调谐超材料器件可以与TFT工艺具有很好的兼容性，通过在TFT工艺的后道工艺中将超材料集成于TFT的导电层中，既提高该可调谐超材料期器件制作过程中的可行性与良率，也降低了工艺集成研发过程成本及其复杂性。通过外部控制系统实现TFT器件的截止、导通等特性或对TFT模拟化控制，实现对超材料的电磁波响应的调谐。通过结合TFT工艺兼容的无源器件(电阻电容电感等)，实现具有单个单元及阵列调控能力的可调谐超材料器件。在通信技术、传感器检测、可调谐滤波、太赫兹功能器件、新一代无线通信技术领域等科技领域具有巨大潜力。在本发明的实施例中，可以利用TFT显示面板工艺来制作可调谐超材料器件。但是本发明不限于此，根据本发明一实施例的基于TFT工艺的可调谐超材料器件所基于的TFT工艺可以根据需要进行改变。
如上所述，TFT单元100包括衬底110和形成在衬底110上的栅极120、源/漏极130，通过控制栅极120绝缘层电场可以实现对TFT单元100的控制。例如，通过控制TFT单元100的截止/导通，以实现通过TFT单元100的数字化信号输入。再例如，通过控制TFT单元100的沟道电压，可以实现通过TFT单元100的模拟化信号输入。但是本发明不限于此，对TFT单元100特性的控制可以包括除了上述两种调控方式之外的其它特性调控。
在一个实施例中，根据本发明一实施例的基于TFT工艺的可调谐超材料器件可以进一步包括TFT兼容电路，该TFT兼容电路可以联接到栅极120以控制栅极120的电压，从而控制TFT单元100特性，通过控制TFT单元100特性可以控制与源/漏极130电联接的超材料单元300的电磁响应特性。也就是说，TFT兼容电路可以通过控制栅极120的电压来对超材料单元300的电磁响应特性进行调制。具体地，TFT兼容电路可以包括数字化控制单元和模拟化控制单元。数字化控制单元可以控制TFT单元100的截止/导通，具体地，数字化控制单元可以控制TFT单元100的截止/导通，进而对超材料单元300的电磁响应特性进行数字化调制。模拟化控制单元可以控制栅极120的沟道电压，以改变栅极120附近的绝缘层电场，以实现对TFT单元100的模拟化数字输入，进而对超材料单元300的电磁响应特性进行模拟化调制。但是本发明不限于此，TFT兼容电路可以选择性地被替换为控制TFT单元100特性的其它外部控制单路，并且可以根据需要实现对TFT单元100的其它特性调控。
下面参照图2至图5详细描述TFT单元的结构。
图2至图5是根据本发明一实施例的TFT单元的结构剖视图。参照图2至图5，根据本发明一实施例的TFT单元100包括衬底110以及形成在衬底110上的栅极120和源/漏极130。
根据栅极120和源/漏极130的位置关系，TFT单元100可以包括图2所示的顶栅顶接触型、图3所示的低栅底接触型、图4所示的顶栅低接触型以及图5所示的低栅顶接触型。
如图2所示，顶栅顶接触型的薄膜晶体管可以通过光刻工艺在衬底110上依次形成沟道层150、源/漏极130、绝缘层140和栅极120。其中沟道层150的材料可以包括但不限于a-Si：H、多晶硅(Poly Si)、非晶氧化物、有机物等TFT工艺兼容材料。
如图3所示，低栅底接触型的薄膜晶体管可以通过光刻工艺在衬底110上依次形成栅极120、绝缘层140、源/漏极130和沟道层150。其中沟道层150的材料可以包括但不限于a-Si：H、多晶硅(Poly Si)、非晶氧化物、有机物等TFT工艺兼容材料。
如图4所示，顶栅低接触型的薄膜晶体管可以通过光刻工艺在衬底110上依次形成源/漏极130、沟道层150、绝缘层140、和栅极120。其中沟道层150的材料可以包括但不限于a-Si：H、多晶硅(Poly Si)、非晶氧化物、有机物等TFT工艺兼容材料。
如图5所示，低栅顶接触型的薄膜晶体管可以通过光刻工艺在衬底110上依次形成栅极120、绝缘层140、沟道层150、和源/漏极130。其中沟道层150的材料可以包括但不限于a-Si：H、多晶硅(Poly Si)、非晶氧化物、有机物等TFT工艺兼容材料。
应注意的是，本发明不限制TFT单元100的具体类型。
在本实施例中，应说明的是，TFT单元100可以为氧化物薄膜晶体管、非晶硅薄膜晶体管、有机薄膜晶体管和多晶硅薄膜晶体管中的一种或多种。应注意的是，本发明不限制TFT单元100的具体类型。
在本实施例中，需要说明的是，多个导电层200形成在TFT单元100上，并且多个导电层200与TFT单元100之间设置有介质层210，以使多个导电层200和TFT单元100彼此间隔开。在介质层210中设置有通孔220，以使多个导电层200电联接到TFT单元100的源/漏极130。下面以低栅顶接触型的TFT单元100为例详细描述导电层200的结构。
图6是根据本发明一实施例的TFT单元和导电层的结构剖视图。
参照图6，在TFT单元100的沟道层150上形成介质层210，其中源/漏极130被介质层210包围。在介质层210上以此形成导电层200、介质层210、导电层200和保护层230。其中每个介质层210中设置有通孔220，使得导电层200与TFT单元100的源/漏极130电联接。例如，下层导电层200可以为像素电极并且上层导电层200可以为公共电极。应注意的是，导电层200的数量可以根据需要而改变，例如，导电层200的数量可以为1层或者3层等。本发明不限制导电层200的具体数量。
由于导电层200通过通孔220与TFT单元100的源/漏极130电联接，即与TFT单元100的源/漏极130通电，可以通过控制栅极120栅极120的沟道电压的电场来控制导电层200，即控制像素电极或者公共电极。
在本发明的实施例中，基于TFT的上述特性，将超材料单元300部分地形成在多个导电层200中的一个或多个导电层200中，以通过TFT单元100的控制来实现对超材料单元300的电磁响应特性的调制。下面以图6所示的TFT单元和导电层为例详细描述超材料单元的结构示意图。
图7至图9是根据本发明一实施例的基于TFT工艺的可调谐超材料器件的具体结构剖视图。
如图7所示，超材料单元300部分地形成在图6所示的结构的上层导电层200中，并且通过通孔220与下层导电层200电联接，下层导电层200通过通孔220与TFT单元100的源/漏极130电联接，以通过控制TFT单元100来对超材料单元300的电磁响应特性进行调制。
如图8所示，超材料单元300部分地形成在图6所示的结构的下层导电层200中，并且通过通孔220与上层导电层200和TFT单元100的源/漏极130电联接，以通过控制TFT单元100来对超材料单元300的电磁响应特性进行调制。
如图9所示，超材料单元300部分地形成在图6所示的结构的上层导电层200和下层导电层200中，并且通过通孔220均与TFT单元100的源/漏极130电联接，以通过控制TFT单元100来对超材料单元300的电磁响应特性进行调制。
在本实施例中，需要说明的是，通过控制TFT单元100来对超材料单元300的电磁响应特性进行调制包括通过控制TFT单元100的截止/导通来对超材料单元300的电磁响应特性进行数字化调制和/或通过控制TFT单元100的栅极的沟道电压来对超材料单元300的电磁响应特性进行模拟化调制。但是，应注意的是，本发明不限于此，可以根据TFT单元100的其它特性控制而对超材料单元300使用其它调制方式。
具体地，可以通过TFT兼容电路的数字化控制单元来控制施加给TFT单元100的栅极120的沟道电压来控制栅极120与源/漏极130之间的载流子移动，以控制TFT单元100的截止/导通。通过控制TFT单元100的截止/导通可以实现对于源/漏极130电联接的超材料单元300的电磁响应特性进行数字化调制，例如，可以实现“0”和“1”的数字化调制，以实现可编程超材料器件。
具体地，可以通过TFT兼容电路的模拟化控制单元来控制TFT单元100的栅极120的沟道电压，以对超材料单元300的电磁响应特性进行模拟化调制。例如，可以通过对超材料单元300的电磁响应特性的模拟化调制实现模拟可调谐器件。
在本发明的实施例中，需要说明的是，超材料单元300可以为线状结构、十字结构、渔网结构、矩形环结构、圆形环结构、回字状结构、开口谐振环中的一种或多种。也就是说，超材料单元300整体形成为上述形状中的一种或多种，并且上述形状中的一部分形成在导电层200中。
在本发明的实施例中，需要说明的是，一个TFT单元100可以对应于一个或多个超材料单元300。也就是说，通过控制一个TFT单元100可以实现对对应的一个或多个超材料单元300的调制。具体地，当一个TFT单元100对应于多个超材料单元300时，多个超材料单元300可以部分地形成在一个TFT单元100的相同或不同的导电层200中。下面以圆形的超材料单元300为例进行详细描述
图10至图11根据本发明一实施例的超材料单元的俯视图。
如图10所示，一个TFT单元100对应于一个超材料单元300，并且超材料单元300的形状为圆形。超材料单元300的一部分形成在导电层200中并且对应于源/漏极130，其它部分形成在导电层200之外。通过对该TFT单元100的控制可以实现对该超材料单元300的调制。
如图11所示，一个TFT单元100对应于两个超材料单元300，并且该两个超材料单元300的形状均为圆形。两个超材料单元300的一部分对称地形成在导电层200中并且对应于源/漏极130，其它部分均形成在导电层200之外。通过对该TFT单元100的控制可以实现对该两个超材料单元300的调制。
在本发明的实施例中，需要说明的是，超材料单元300可以由铝、铜、等金属材料以及氧化铟锡等金属化物材料的一种或多种材料或合金构成的。但是本发明不限于此。
在本发明的实施例中，需要说明的是，对超材料单元300的电磁响应特性的调制包括但不限于幅度调制、相位调制、频率调制等调制。
本发明还提供一种基于TFT工艺的可调谐超材料器件的制作方法，包括：
制作TFT单元；
在TFT单元上形成多个导电层，使得所述多个导电层通过通孔与所述TFT单元的源/漏极电联接；以及
部分地在所述多个导电层中的一个或多个导电层中形成超材料单元，使得所述超材料单元通过所述通孔与所述TFT单元的源/漏极电联接。
在本发明的实施例中，需要说明的是，TFT工艺包括但不限于显示8代线、6代线、5代线、4.5代线，并且也适用于高世代显示线技术中。
超材料单元通过通孔与TFT单元电连接，实现TFT单元对超材料单元内部电磁分布的可控，使得超材料单元通过TFT工艺可扩展为大规模可控阵列。
基于TFT工艺的可调谐超材料器件可以与TFT工艺具有很好的兼容性，通过在TFT工艺的后道工艺中将超材料集成于TFT的导电层中，既提高该可调谐超材料期间在制作过程中的可行性与良率，也降低了工艺集成研发过程成本及其复杂性。通过外部控制系统实现TFT器件的截止、导通等特性或对TFT模拟化控制，实现对超材料的电磁波响应的调谐。通过结合TFT工艺兼容的无源器件(电阻电容电感等)，实现具有单个单元及阵列调控能力的可调谐超材料器件。在通信技术、传感器检测、可调谐滤波、太赫兹功能器件、新一代无线通信技术领域等科技领域具有巨大潜力。
本发明提供的基于TFT工艺的可调谐超材料器件及其制作方法，基于TFT工艺将超材料单元部分形成在导电层中，与TFT的源/漏极电联接，使得超材料单元与TFT集成。由此，可以通过TFT的控制来实现对超材料单元的电磁响应特性的实时动态调制，避免使用独立器件对超材料进行调制。不仅易于实现可控超材料阵列，进而大生产大面积可控超材料调控系统，并且与TFT工艺兼容性强、稳定性高，可以实现规模化生产，从而降低生产成本。
此外，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
此外，在本发明中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种基于TFT工艺的可调谐超材料器件，其特征在于，包括：
TFT单元，包括衬底以及设置在所述衬底上的栅极和源/漏极；
多个导电层，形成在所述TFT单元上并且通过通孔与所述TFT单元的所述源/漏极电联接；以及
超材料单元，至少部分地形成在所述多个导电层中的一个或多个中并通过所述通孔与所述源/漏极电联接。
2.根据权利要求1所述的基于TFT工艺的可调谐超材料器件，其特征在于，进一步包括：
TFT兼容电路，电联接到所述栅极以通过控制所述栅极的电压来对所述超材料单元的电磁响应特性进行调制。
3.根据权利要求2所述的基于TFT工艺的可调谐超材料器件，其特征在于，
所述TFT兼容电路包括：
数字化控制单元，控制所述TFT单元的截止与导通以对所述超材料单元的电磁响应特性进行数字化调制；和/或
模拟化控制单元，控制所述栅极的沟道电压以对所述超材料单元的电磁响应特性进行模拟化调制。
4.根据权利要求3所述的基于TFT工艺的可调谐超材料器件，其特征在于，
一个所述TFT单元对应一个或多个所述超材料单元。
5.根据权利要求1～4任一项所述的基于TFT工艺的可调谐超材料器件，其特征在于，
所述超材料单元为线状结构、十字结构、渔网结构、矩形环结构、圆形环结构、回字状结构、开口谐振环中的一种或多种。
6.根据权利要求1～4所述的基于TFT工艺的可调谐超材料器件，其特征在于，
所述超材料单元由铝、铜、银、钴、钛、氧化铟锡、金、铁、铂、钼、铬、钨、镍中的一种或多种构成。
7.根据权利要求1所述的基于TFT工艺的可调谐超材料器件，其特征在于，
所述TFT单元为氧化物薄膜晶体管、非晶硅薄膜晶体管、有机薄膜晶体管和多晶硅薄膜晶体管中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的基于TFT工艺的可调谐超材料器件，其特征在于，
所述TFT单元的结构为顶栅顶接触型、顶栅底接触型、底栅顶接触型、底栅底接触型中的一种。
9.一种根据权利要求1～8任一项所述的基于TFT工艺的可调谐超材料器件的制作方法，其特征在于，包括：
制作TFT单元；
在TFT单元上形成多个导电层，使得所述多个导电层通过通孔与所述TFT单元的源/漏极电联接；以及
部分地在所述多个导电层中的一个或多个导电层中形成超材料单元，使得所述超材料单元通过所述通孔与所述TFT单元的源/漏极电联接。
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