CN113299831B - 基于三层绝缘介质的低功耗柔性薄膜晶体管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三层绝缘介质的低功耗柔性薄膜晶体管及其制作方法。该器件采用底栅顶接触结构，依次由柔性衬底、栅电极、绝缘介质层、有源层、源、漏电极构成。该结构采用介电常数较高的A l2O3作为无机材料绝缘介质层，能够有效降低工作电压和阈值电压，但高介电常数带来较高界面极性；为降低其界面极性，又增加了PMMA制作的绝缘介质薄膜和由交联剂4,4'‑(六氟异丙烯)二酞酸酐与聚(4‑乙烯基苯酚)混合而得的交联PVP‑HDA绝缘介质薄膜。本发明的柔性薄膜晶体管能够较好的平衡介电常数与界面极性之间的矛盾，还同时兼具较低功耗、较小漏电流、较低亚阈值摆幅等优点，工艺简单、成本较低，有利于大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及柔性电子系统领域，具体涉及一种基于三层绝缘介质的低功耗柔性有机薄膜晶体管及其制作方法。
背景技术
集成电路中器件密度按照半导体行业里著名的摩尔定律在稳速增长，基本实现每十八个月翻一翻的目标，半导体工艺的精度也随之增加。但传统的无机半导体材料的研究已接近其物理极限，继续降低器件特征尺寸会因为短沟道效应、量子隧穿效应等不良因素的影响而变得异常困难。因此，工艺简单、成本低的柔性有机半导体材料及其器件开始被发现并逐渐成为新的研究热点。
晶体管是半导体行业发展的一个重要里程碑，在电路中起到开关、放大作用。其中，有机场效应晶体管具有制备简单、廉价、大面积加工与柔性衬底相容等优点，并且己经在射频识别、传感器、柔性电子纸和有机有源矩阵显示器、电子标签、柔性存储、柔性电路等实际应用中取得了重大突破。与传统的刚性有机场效应晶体管相比，柔性有机场效应晶体管有着诸多的优势，例如其质量很轻、可弯曲折叠、成本低廉等，有着广阔的应用前景。
近年来，柔性有机场效应晶体管获得了迅速发展，其迁移率已经从10-6-10-5cm2/Vs上升了六个数量级。柔性有机晶体管虽然取得了超常的进步，其各项性能得到了明显的改善和提高，但还是有很多问题层出不穷。
例如，基于柔性衬底的有机场效应晶体管的载流子迁移率大多明显低于基于硅的刚性有机晶体管载流子迁移率，这将限制柔性有机场效应晶体管的实际应用。
例如传统有机场效应晶体管器件的操作电压较大，导致需要较大的能耗，不符合目前的低能耗、便携的发展趋势。
因此人们对于低功耗柔性有机晶体管的性能提出更高的要求，包括：较高的空穴迁移率，较大的开关比，较低的阈值电压，无回滞曲线，在空气中能够长时间保持稳定，能够承受较高的温度以及良好的机械稳定性等。如何寻找突破点，成功制备出可在低电压条件下工作的柔性有机晶体管是实验研究的出发点。只有实现有机晶体管的低电压操作才有望实现小电池驱动的便携式柔性电子设备的出现，从而拓宽了柔性有机晶体管的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于三层绝缘介质的低功耗柔性薄膜晶体管，该晶体管能够在保证良好迁移率和较低亚阈值摆幅的情况下，实现较低的工作电压和功耗。
同时本发明还提供了该低功耗柔性薄膜晶体管的制作方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于三层绝缘介质的低功耗柔性薄膜晶体管，采用底栅顶接触结构，具体结构包括：
柔性衬底；
位于柔性衬底上表面的栅电极；
位于栅电极上表面的氧化铝(Aluminium Oxide，Al2O3)绝缘栅介质薄膜；
位于氧化铝绝缘栅介质薄膜上表面的聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(MethylMethacrylate)，PMMA)绝缘介质层薄膜；
位于PMMA绝缘介质层薄膜上表面的交联PVP-HDA绝缘介质薄膜，该PVP-HDA绝缘介质为交联剂4,4'-(六氟异丙烯)二酞酸酐(4,4'-(Hexafluoroisopropylidene)diphthalicanhydride，HDA)与聚(4-乙烯基苯酚)(Poly(4-vinylphenol)，PVP)混合而得；
位于交联PVP-HDA绝缘介质薄膜上表面的有源层，该有源层为2,7-二辛基[1]苯并噻吩[3,2-b][1]苯并噻吩(2,7-(1-octyl)[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene，C8-BTBT)和聚苯乙烯(Polystyrene，PS)形成的C8-BTBT:PS薄膜；
位于C8-BTBT:PS薄膜上表面的源金属电极以及漏金属电极，该源金属电极以及漏金属电极材料均为金或银。
本发明的薄膜晶体管衬底为柔性有机材料，采用氧化铝制作的无机绝缘材料、PMMA有机绝缘材料以及PVP-HDA有机绝缘材料的三者相结合，构成三层绝缘介质层，有源层采用迁移率较高的C8-BTBT材料，使得该柔性有机薄膜有机晶体管的特点是在保证良好迁移率的同时实现低功耗，较低阈值电压及工作电压的目的，其柔性衬底材料可根据应用于光电、非光电等不同场合选取透明、非透明、耐高温等不同特性的柔性材料；其功能层厚度、溶液浓度配比均可根据不同电学性能要求取值。
在以上方案的基础上，柔性衬底可根据具体需求采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PI(聚酰亚胺)或PEN(聚萘二甲酸二醇脂)等有机材料制作而成。栅电极(2)采用铝或金或银制作而成。
同时，本发明还提供了制作上述柔性薄膜晶体管的方法，包括以下步骤：
1)以氯苯为溶剂，分别配置PMMA溶液、PVP-HDA交联物溶液、C8-BTBT与PS混合物溶液；
2)在柔性衬底上沉积栅电极；
3)在栅电极上沉积氧化铝绝缘栅介质薄膜；
4)在氧化铝绝缘栅介质薄膜上旋涂PMMA溶液，从而形成PMMA绝缘栅介质薄膜；
5)在PMMA绝缘栅介质薄膜上旋涂交联PVP-HDA溶液，从而形成交联PVP-HDA绝缘介质薄膜；
6)在交联PVP-HDA绝缘介质薄膜上旋涂C8-BTBT与PS混合物溶液，从而形成C8-BTBT:PS薄膜；
7)在C8-BTBT:PS薄膜上沉积源金属电极以及漏金属电极。
进一步地，上述栅电极可以通过热蒸发沉积70-80nm厚度，其中镀膜仪设置压强为6×10-4Pa，蒸发速率为
进一步地，上述氧化铝绝缘栅介质薄膜的沉积厚度为55-65nm，镀膜仪设置工作功率：120-150W，工作压强：0.3Pa，工作时间：1h。
进一步地，上述PMMA溶液配置浓度为5mg/mL，PMMA绝缘介质薄膜采用均匀旋涂方法成形，旋涂参数设置：加速度为200-600RPM/s；加速到3000-5000RPM的转速。
进一步地，上述PVP-HDA交联物溶液配置方法为：将500mgPVP溶质对应加入5-12μL催化剂三乙醇胺(C6H15NO3，TEA)，再将交联剂HDA滴入上述混合溶液，并搅拌使其反应。
进一步地，上述PVP-HDA绝缘介质薄膜采用均匀旋涂方法成形，旋涂参数设置：加速度为200-600RPM/s；加速到3000-5000RPM的转速。
进一步地，上述C8-BTBT与PS的混合溶液配置浓度为5mg/mL，其质量配比范围为：5:1～20:1，，C8-BTBT:PS薄膜采用偏心旋涂方法成形，将样片放置在载玻片边缘，旋涂参数设置：加速度为20-120RPM/s；加速至2000-4000RPM的转速。
进一步地，上述源金属电极以及漏金属电极在沉积时，镀膜仪设置参数：压强：4×10-4Pa，蒸发速率：
电极厚度：50nm。
本发明技术方案的有益效果如下：
由于器件的操作电压和开启的阈值电压与绝缘层的介电常数密切相关，较高的介电常数可以有效地降低操作电压和阈值电压。因此，为获得低功耗柔性有机薄膜晶体管，本发明的晶体管器件绝缘介质层首先采用了介电常数较高的无机材料Al2O3。同时，较高介电常数的Al2O3可以增加载流子密度，减小漏电流，还能因为其较大的电容，有效降低亚阈值摆幅。但介电常数也并非越高越好，因为电荷在输运过程会受到界面极性影响，Al2O3薄膜由于其较高的界面极性，使载流子在迁移过程中受到了更大的束缚，因此会使得器件迁移率下降。
为解决上述问题，在Al2O3与C8-BTBT界面中增加介电常数较小的有机绝缘材料PMMA和PVP-HDA，能够有效地改善其界面极性，从而提高载流子迁移率。同时，PVP-HDA聚合物能够填补C8-BTBT晶粒间的空隙，有利于C8-BTBT生长成高性能、稳定性好、连续的薄膜，从而使得该晶体管器件在较低工作电压的情况下提高载流子迁移率。因此三层绝缘介质能够较好的平衡介电常数和界面极性之间的矛盾，使得器件能够兼顾功耗、载流子迁移率和亚阈值摆幅的平衡，从而实现较高综合电学性能。
附图说明
图1为实施例提供的基于三层绝缘介质的低功耗柔性薄膜晶体管的结构示意图。
图2为实施例提供的柔性薄膜晶体管典型的转移特性曲线。
图3为实施例提供的柔性薄膜晶体管典型的输出特性曲线。
图4为实施例提供的柔性薄膜晶体管连续多次测量的转移特性曲线。
图5为实施例提供的柔性薄膜晶体管时隔数周后多次测量的转移特性曲线。
附图标号说明：
1-柔性衬底；2-栅电极；3-氧化铝绝缘栅介质薄膜；4-PMMA绝缘介质薄膜；5-PVP-HDA绝缘介质薄膜；6-有源层；7-源金属电极；8-漏金属电极。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例进一步详述本发明。
如图1所示为一种基于三层绝缘介质的低功耗柔性薄膜晶体管的具体实施结构，包括：
采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(Poly(ethylene Terephthalate)，PET)制作的柔性衬底1；当然根据实际需要也可采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PI(聚酰亚胺)或PEN(聚萘二甲酸二醇脂)等材料制作；
位于PET柔性衬底上表面的铝(Aluminium，Al)栅电极2；当然根据实际需要也可采用金或银等金属材料制作；
位于铝栅电极表面的氧化铝(Aluminium Oxide，Al2O3)绝缘栅介质薄膜3；
位于氧化铝绝缘栅介质薄膜3上表面的聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(MethylMethacrylate)，PMMA)绝缘介质薄膜4；
位于PMMA绝缘介质薄膜4上表面的交联物薄膜，该交联物薄膜为交联剂4,4'-(六氟异丙烯)二酞酸酐(4,4'-(Hexafluoroisopropylidene)diphthalic anhydride，HDA)与聚(4-乙烯基苯酚)(Poly(4-vinylphenol)，PVP)混合而得的PVP-HDA绝缘介质薄膜5；
位于PVP-HDA绝缘介质薄膜上表面的有机层，该有机层为2,7-二辛基[1]苯并噻吩[3,2-b][1]苯并噻吩(2,7-(1-octyl)[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene，C8-BTBT)和聚苯乙烯(Polystyrene，PS)形成的C8-BTBT:PS薄膜(有源层6)；
位于C8-BTBT:PS薄膜上表面的源金属电极7以及漏金属电极8，该源金属电极7以及漏金属电极8的材料均为金或银。
该具体结构的晶体管器件具体可以通过以下步骤制备：
1)以氯苯为溶剂，分别配置PMMA溶液(5mg/mL)、PVP-HDA交联物溶液、C8-BTBT与PS混合物溶液(5mg/mL)；具体实施时，PVP-HDA交联物溶液配置的具体过程是：将500mgPVP溶质对应加入5-12μL催化剂三乙醇胺(C6H15NO3，TEA)，再将交联剂HDA滴入上述混合溶液，并搅拌使其反应从而生成PMMA溶液；
2)在PET柔性衬底上沉积Al栅电极；具体实施时，栅电极2可通过热蒸发的方式沉积，厚度为70-80nm，镀膜仪设置压强为6×10-4Pa，蒸发速率为
3)在Al栅电极上沉积氧化铝绝缘栅介质薄膜3；具体实施时，氧化铝绝缘栅介质薄膜3的沉积厚度为55-65nm，镀膜仪设置工作功率：120-150W，工作压强：0.3Pa，工作时间：1h。
4)在氧化铝绝缘栅介质薄膜上旋涂PMMA绝缘栅介质薄膜；具体实施时，PMMA绝缘介质薄膜采用均匀旋涂方法成形，旋涂参数设置：加速度为200-600RPM/s；加速到3000-5000RPM的转速；
5)在PMMA绝缘栅介质层薄膜上旋涂交联PVP-HDA绝缘介质薄膜；具体实施时，PVP-HDA绝缘介质薄膜采用均匀旋涂方法成形，旋涂参数设置：加速度为200-600RPM/s；加速到3000-5000RPM的转速
6)在交联PVP-HDA绝缘介质薄膜上旋涂混合C8-BTBT:PS薄膜；具体实施时，C8-BTBT:PS薄膜采用偏心旋涂方法成形，将样片放置在载玻片边缘，旋涂参数设置：加速度为20-120RPM/s；加速至2000-4000RPM的转速；
7)在混合C8-BTBT:PS薄膜上沉积源漏金属电极；具体实施时，镀膜仪设置参数：压强：4×10-4Pa，蒸发速率：
两个电极厚度：50nm；
本实例的柔性薄膜晶体管，采用均匀旋涂结合偏心旋涂方法分别制备绝缘介质层和有源层。通过将氧化铝无机绝缘材料与PMMA、PVP-HDA有机绝缘材料结合的方式，在氧化铝能够有效减少漏电流、亚阈值摆幅的同时，PMMA、PVP-HDA能够有效的优化氧化铝表面的极性，还能有效填充有源层与氧化铝介质层之间的空隙，有利于C8-BTBT的结晶，生长成质地均匀的薄膜。
试验验证
经测定，铝栅电极厚度为70-80nm，氧化铝厚度为55-65nm，PMMA厚度为50nm，PVP-HDA厚度为80nm，源、漏电极厚度为50nm。
如图2所示为本实施例制备的低功耗柔性薄膜晶体管典型的转移特性曲线，通过计算可得该晶体管阈值电压为-1.7V，迁移率为2.8cm2/Vs，亚阈值摆幅为88mV/dec，现有柔性薄膜晶体管无法同时兼顾较高迁移率和较低亚阈值摆幅，由此可见该实例所得柔性薄膜晶体管是实现了较高综合电学性能。
如图3所示为本实施例制备的低功耗柔性薄膜晶体管的输出特性曲线，曲线显示出了很明显的线性区和饱和区，在-2V电压附近接近饱和，显示出明显的场效应现象。
如图4所示为本实施例制备的低功耗柔性薄膜晶体管连续多次测量的转移特性曲线，如图5为本实施例制备的低功耗柔性薄膜晶体管时隔数周后多次测量的转移特性曲线。通过图4和图5能够充分说明本实施例制备的低功耗柔性薄膜晶体管具有一定稳定性，可以通过该发明获得较稳定的低功耗柔性有机薄膜晶体管。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干调整，这些调整后的方案显然也落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于三层绝缘介质的低功耗柔性薄膜晶体管，该晶体管采用底栅顶接触结构，其特征在于：
包括柔性衬底(1)；
位于柔性衬底上表面的栅电极(2)；
位于栅电极(2)上表面的氧化铝绝缘栅介质薄膜(3)；
位于氧化铝绝缘栅介质薄膜(3)表面的聚甲基丙烯酸甲酯绝缘介质薄膜(4)；
位于聚甲基丙烯酸甲酯绝缘介质薄膜(4)上表面的交联PVP-HDA绝缘介质薄膜(5)；
所述交联PVP-HDA绝缘介质薄膜(5)为交联剂4,4'-(六氟异丙烯)二酞酸酐与聚(4-乙烯基苯酚)混合而得；
位于交联PVP-HDA绝缘介质薄膜(5)上表面的有源层(6)；
所述有源层为2,7-二辛基[1]苯并噻吩[3,2-b][1]苯并噻吩和聚苯乙烯形成的C8-BTBT:PS薄膜；
位于C8-BTBT:PS薄膜上表面的源金属电极(7)以及漏金属电极(8)，所述源金属电极(7)以及漏金属电极(8)的材料均为金或银。
2.根据权利要求1所述的基于三层绝缘介质的低功耗柔性薄膜晶体管，其特征在于：所述柔性衬底(1)采用聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺或聚萘二甲酸二醇脂制作而成；所述栅电极(2)采用铝或金或银制作而成。
3.一种如权利要求1-2任一所述的基于三层绝缘介质的低功耗柔性薄膜晶体的制作方法，其特征在于，具体制作步骤如下：
1)以氯苯为溶剂，分别配置聚甲基丙烯酸甲酯溶液、PVP-HDA交联物溶液、C8-BTBT与PS混合物溶液；
2)在柔性衬底(1)上沉积栅电极(2)；
3)在栅电极(2)上沉积氧化铝绝缘栅介质薄膜(3)；
4)在氧化铝绝缘栅介质薄膜(3)上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯溶液，从而形成聚甲基丙烯酸甲酯绝缘介质薄膜(4)；
5)在聚甲基丙烯酸甲酯绝缘介质薄膜(4)上旋涂PVP-HDA交联物溶液，从而形成交联PVP-HDA绝缘介质薄膜(5)；
6)在交联PVP-HDA绝缘介质薄膜(5)上旋涂C8-BTBT与PS混合物溶液，从而形成C8-BTBT:PS薄膜；
7)在C8-BTBT:PS薄膜上沉积源金属电极(7)以及漏金属电极(8)。
4.根据权利要求3所述的基于三层绝缘介质的低功耗柔性薄膜晶体的制作方法，其特征在于：所述栅电极(2)通过热蒸发的方式沉积，厚度为70-80nm，镀膜仪设置压强为6×10- 4Pa，蒸发速率为
5.根据权利要求3所述的基于三层绝缘介质的低功耗柔性薄膜晶体的制作方法，其特征在于：所述氧化铝绝缘栅介质薄膜(3)的沉积厚度为55-65nm，镀膜仪设置工作功率：120-150W，工作压强：0.3Pa，工作时间：1h。
6.根据权利要求3所述的基于三层绝缘介质的低功耗柔性薄膜晶体的制作方法，其特征在于：所述聚甲基丙烯酸甲酯溶液配置浓度为5mg/mL，聚甲基丙烯酸甲酯绝缘介质薄膜(4)采用均匀旋涂方法成形，旋涂参数设置：加速度为200-600RPM/s；加速到3000-5000RPM的转速。
7.根据权利要求3所述的基于三层绝缘介质的低功耗柔性薄膜晶体的制作方法，其特征在于：所述PVP-HDA交联物溶液配置方法为：将500mgPVP溶质对应加入5-12μL催化剂三乙醇胺，再将交联剂HDA滴入上述混合溶液，并搅拌使其反应。
8.根据权利要求3所述的基于三层绝缘介质的低功耗柔性薄膜晶体的制作方法，其特征在于：所述PVP-HDA绝缘介质薄膜(5)采用均匀旋涂方法成形，旋涂参数设置：加速度为200-600RPM/s；加速到3000-5000RPM的转速。
9.根据权利要求3所述的基于三层绝缘介质的低功耗柔性薄膜晶体的制作方法，其特征在于：所述C8-BTBT与PS的混合溶液配置浓度为5mg/mL，其质量配比范围为：5:1～20:1，C8-BTBT:PS薄膜采用偏心旋涂方法成形，将样片放置在载玻片边缘，旋涂参数设置：加速度为20-120RPM/s；加速至2000-4000RPM的转速。
10.根据权利要求3所述的基于三层绝缘介质的低功耗柔性薄膜晶体的制作方法，其特征在于，所述源金属电极(7)以及漏金属电极(8)在沉积时，镀膜仪设置参数：压强：4×10- 4Pa，蒸发速率：
电极厚度：50nm。
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