CN114512550A - 一种具有负光电导效应的晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有负光电导效应的晶体管及其制备方法，晶体管包括基底和设置于基底之上的半导体层；半导体层上连接有电极，半导体层的全部和电极的部分被一栅介质层包覆，电极一端埋置于栅介质层内，另一端伸出至栅介质层外；半导体层为金属氧化物半导体层；栅介质层为离子胶固化得到的高单位电容栅介质。晶体管具备在单一金属氧化物半导体层晶体管中呈现负光电导现象。本发明使用特定的掩膜，采用磁控溅射制备半导体层阵列；采用热蒸发法沉积电极层阵列；最后通过丝网印刷栅介质层阵列。简化了工艺流程、降低了生产要求和成本，有利于晶体管阵列产业化生产，制得的晶体管拥有较大的回滞窗口，电流开关比可达到104，回扫亚阈值摆幅SS小于60mV/decade。
Description
技术领域
本发明属于晶体管技术领域，尤其涉及一种具有负光电导效应的晶体管及其制备方法。
背景技术
1873年W.史密斯通过研究硒的导电率发现了半导体在受到光照时，其电导率会发生改变。半导体材料由于吸收光子而使自由载流子浓度提高，致使电导率增加，这叫做正光电导现象。多数光电探测器的制作原理主要来自于这一机制。而负光电导现象则刚好相反，由于某些原因，在光照条件下会使得材料的电导率下降。在透明金属氧化物半导体范畴内，因其具有较高的迁移率，较宽的禁带宽度，极易吸收光子能量产生跃迁，从而出现正的光电导现象。但是负的光电导现象在金属氧化物晶体管中还未见报道。
科研人员发现具有正光电导现象的三端晶体管可以被用来模拟生物视觉的某些行为，当外部光学信息以可见光的形式进入人眼时，视网膜上的光感受器通过光伏转换将其转换为电信号输出，这种功能使人眼能够进行详细的视觉信息分析，并同时避免异常情况下光线对眼睛的破坏性影响。基于负的光电导效应的器件有望从相反方向实现视觉模拟，进一步扩大人工视觉基础器件范围。
基于上述背景，开发一种性能稳定、制作流程简单、经济有效的、高性能的，具有负光电导的晶体管是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有负光电导效应的晶体管及其制备方法，以扩大晶体管的应用范围。
本发明采取的技术方案如下：
一种具有负光电导效应的晶体管，包括基底和设置于所述基底之上的半导体层；所述半导体层上连接有电极，所述半导体层的全部和电极的部分被一栅介质层包覆，所述电极一端埋置于栅介质层内，另一端伸出至栅介质层外；所述半导体层为金属氧化物半导体层；所述栅介质层为离子胶固化得到的高单位电容栅介质。
本发明通过使高单位电容离子胶栅介质与半导体层形成半导体/离子胶界面，产生界面效应，使得制备的晶体管具备了从未在单一金属氧化物半导体层晶体管器件中出现过的负的光电导现象。在波长为365nm的光照下随着光功率密度的增加，光电流逐渐减小；致使负光电导现象的出现。
进一步优选的，上述电极包括源极、漏极与栅极，所述源极、漏极与栅极呈近似品字形分布；所述源极与漏极设置于所述半导体层上且部分延伸至所述基底上；所述栅极设置于所述基底上且与所述半导体层不接触；所述栅介质层覆盖栅极部分区域以及半导体层上的源极与漏极。
源极与漏极延伸到基底上是为了测试方便；源极与漏极真实起作用的是半导体层上的部分。采取此种设计，便于使晶体管进行大规模的阵列化排布制造，也更利于对制备得到的晶体管进行性能检测。所述栅介质层完全覆盖半导体层以及半导体层与栅极之间的沟道，栅极通过栅介质层与半导体层以及半导体层上的源极与漏极产生连接关系。此种设计利于半导体层与离子胶的充分接合，便于界面效应的更大化功效的产生。
进一步优选的，上述半导体层上的源极与漏极面积相等且对称分布，所述半导体层上的源极与漏极之间具有沟道。源极与漏极对称是为了获得平行的电场，且将源极与漏极面积设计为相等是为了避免面积不一样大可能产生的电场不平行的情况。源极与漏极之间具有沟道是为了方便载流子的产生，以加大电场使得对晶体管电流具有调控作用。
进一步优选的，上述半导体层上的源极与漏极的面积范围均为2×105～5×106平方微米；所述半导体层上的源极与漏极之间的沟道长度为80-300微米，宽度为1000-5000微米。沟道的长是指源极与漏极之间的间距S，沟道宽是指源极、漏极在半导体层上的长度h。半导体层上的源极与漏极面积过大会影响漏电流，会导致漏电流过大从而影响晶体管的精度。此处的漏电流不是源极漏极电流；晶体管一共三个电极，每个电极都会有漏电流，这个漏电流对晶体管是不好的影响；此处的漏电流只是这种叫法，这种漏电流是受电极本身的制作和它自身的其他因素影响。
进一步优选的，上述电极为Al电极；Al电极的厚度为70～90nm；且半导体层的厚度为15～30nm。本发明通过采用铝电极并控制半导体层的厚度，仅在15～30nm之间，在波长为365nm的光照下产生了光生电子-空穴载流子对，栅极对半导体层重新调控，导致新的空间电荷分布，产生的空穴载流子在离子胶/半导体界面处形成一层空穴层产生界面效应，对原有栅极电场产生影响，从而更有利于负光电导效应的出现。
进一步优选的，上述Al电极的电极表面有4～12nm厚的金属氧化层。
进一步优选的，上述金属氧化层的材料为Al2O3。通过沉积Al电极，并使电极层在大气环境下与空气中的氧气反应在Al电极表面形成Al2O3层，制作出Al/Al2O3电极层，并与离子胶形成堆叠栅介质层。利用Al2O3层对正电荷的捕获效应，以及高单位电容离子胶的比电容，使得器件电流开关比达到四个数量级(>104)，同时具备一个较大的回滞窗口，回扫亚阈值摆幅SS<60mV/decade，拥有良好的可重复性、均一性、稳定性，有利于进一步的产业化生产。
进一步优选的，上述金属氧化物为In2O3、IZO、ITO、IGZO、ZnO或SnO中的任意一种。
基于同一技术构思，本发明还提供制备上述晶体管的制备方法，包括以下步骤：
(1)准备基底；
(2)在所述基底上覆盖掩膜，通过磁控溅射工艺在基底上沉积出特定形状的半导体层，得到带有半导体层的样品；
(3)在步骤(2)中得到的带有半导体层的样品上覆盖掩膜，在未被半导体层覆盖的基底上和半导体层上各留出窗口，采用热蒸发法在该窗口上沉积Al电极层，得到中间产品；
(4)在步骤(3)中得到中间产品表面采用丝网印刷法涂布离子胶，使离子胶覆盖半导体层及部分Al电极层；将离子胶干燥固化即得到晶体管。
进一步优选的，上述步骤(2)中磁控溅射时，反应气体为氧气，溅射气体为氩气；氧气与氩气的气体体积流量比为(2～7)：40。通过优化后的磁控溅射条件，可以形成更好的半导体层，半导体层厚度可控且均匀，便于与离子胶形成界面效应。
进一步优选的，上述磁控溅射时的本底压强小于8×10-4Pa，工作压强为0.8～2Pa，溅射功率为40～100W，基底转速为15～40rad/min，沉积时间为1.5～3min。
进一步优选的，上述步骤(3)中热蒸发法制备Al电极时，本底压强小于8×10-4Pa，沉积速率为
因为各层操作独立制备，且工艺参数条件独立控制，使得本发明极易实现对各组成层图案化处理，达到大面积阵列化的效果；同时，大幅度减少制作成本，并且可以根据器件性能需求，灵活的调节每个膜层的形成条件而互不干扰，进一步形成具有高性能的大面积晶体管阵列。
进一步优选的，上述步骤(4)中的离子胶是将高分子聚合物、离子液和溶剂混合而成，所述离子液为1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲磺酰)亚胺。
本发明的离子胶中特别添加了离子液，目的是增大栅介质层的双电层效应，加强对半导体层的调控；使得最终的产品在紫外光区随着光功率密度的增加，光电流逐渐减小，更好地呈现出负光电导效应。
进一步优选的，上述步骤(4)中的离子胶是将所述高分子聚合物、离子液和溶剂按照质量比1：4：(5～7)配合而成；所述高分子聚合物为偏二氟乙烯-共-六氟丙烯P(VDF-HFP)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇树脂(PVA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及聚苯乙烯(PS)中的任意一种；所述溶剂为丙酮。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明制备的晶体管具备了从未在单一金属氧化物半导体层晶体管器件中出现过的负的光电导现象，在紫外光区随着光功率密度的增加，光电流逐渐减小，为构建模拟人工视觉系统提供了一种有潜力的新平台。
(2)本发明制备的晶体管利用自然氧化的Al2O3层与丝网印刷离子胶形成堆叠栅介质，运用Al2O3层对正电荷的捕获效应，使得电流开关比达到四个数量级(>104)，同时具备一个较大的回滞窗口，进一步增强了器件的存储能力；回扫亚阈值摆幅SS<60mV/decade，能够极大降低器件功耗。此外，制备的器件拥有良好的可重复性、均一性、稳定性，有利于进一步的产业化生产。
(3)本发明扩大了对基底的选择性，极易实现对各组成层图案化处理，达到大面积阵列化的效果。同时，大幅度减少制作成本，具有工艺流程操作简单易于制作等优势，并且可以根据器件性能需求，灵活的调节每个膜层的形成条件而互不干扰，进一步形成具有高性能的大面积晶体管阵列。
本发明利用可大面积制备、可低温制备、操作简单的、成本很低的晶体管阵列制备技术，制备了性能优异的三端晶体管器件阵列，并同时大大简化了工艺流程、降低了工艺要求和生产成本，有利于大面积晶体管阵列产业化生产。
附图说明
图1为实施例中的晶体管的结构透视示意图；
图2为实施例中的晶体管的俯视图；
图3为图2中A-A的剖面示意图；
图4为图1中X的放大示意图；
图5为实施例中的晶体管阵列示意图；
图6为实施例中的晶体管的转移曲线图；
图7为实施例中的晶体管的输出曲线图；
图8为实施例中的晶体管在不同离子胶浓度时丝网印刷形貌对比图；
图9为实施例中的晶体管在不同离子胶浓度时丝网印刷比电容对比图；
图10为实施例中的晶体管在光照条件和黑暗条件下的输出曲线对比图。
其中：1、基底；2、半导体层；3、电极；31、栅极；32、源极；33、漏极；4、栅介质层；5、沟道。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种具有负光电导效应的晶体管，如图1-3所示，包括基底1和设置于所述基底1之上的半导体层2；所述半导体层2上连接有电极3，所述半导体层2的全部和电极3的部分被一栅介质层4包覆，所述电极3一端埋置于栅介质层4内，另一端伸出至栅介质层4外；所述半导体层2为金属氧化物半导体层；所述栅介质层4为离子胶固化得到的高单位电容栅介质。
在本实施例中，所述电极3包括源极32、漏极33与栅极31，所述源极32、漏极33与栅极31呈近似品字形分布；所述源极32与漏极33设置于所述半导体层2上且部分延伸至所述基底1上；所述栅极31设置于所述基底1上且与所述半导体层2不接触；所述栅介质层4覆盖栅极31部分区域以及半导体层2上的源极32与漏极33。
在本实施例中，所述半导体层2上的源极32与漏极33面积相等且对称分布，所述半导体层2上的源极32与漏极33之间具有沟道5。
如图4所示，在本实施例中，所述半导体层2上的源极32与漏极33的面积范围均为3.2×105平方微米；所述半导体层2上的源极32与漏极33之间的沟道5长s为80微米，宽h为1600微米。
在本实施例中，所述电极3为Al电极；所述Al电极的厚度为70nm；且半导体层的厚度为15nm的In2O3。
在本实施例中，Al电极的电极表面有5nm厚的Al2O3。
实施例2：
一种制备实施例1中晶体管的方法，其制备方法包括以下步骤：
(1)将6*6cm的玻璃基底使用丙酮、去离子水、异丙醇分别超声清洗20min，然后使用高纯氮气流吹干备用；通过上述步骤超声清洗，可以有效去除基底表面的灰尘、有机物、杂质等，有利于后续形成高质量的薄膜；使用高纯氮气体吹干，可以防止在烘干过程中空气中的灰尘沉积在基底表面，有利于后续形成高质量的薄膜。
(2)以金属氧化物In2O3作为靶材，采用磁控溅射工艺对靶材进行处理，本底压强小于8×10-4Pa，在溅射过程中，采用图案阵列化掩膜版，通入高纯氧气O2(反应气体)和高纯氩气Ar(溅射气体)，通入反应气体和溅射气体的体积流量比为4：40，以确保良好的沉积气氛；工作压强为1Pa，溅射功率为50W，基底转速为20rad/min，沉积时间为2min，得到中间产物。
(3)通过热蒸发法制备Al电极的过程中，本底压强小于8×10-4Pa，沉积速率为约
选用特定图案化掩膜版，沉积大约70nm厚的Al作为电极，并使其在大气中自然反应，在电极表面形成约5nm的Al2O3层，制备出具有Al2O3层的Al电极。
(4)离子胶栅介质前驱体溶液制备，是将高分子聚合物、离子液和丙酮按照1：4：6质量比混合置于洁净的10ml玻璃瓶中，用磁力搅拌器搅拌6h，温度设置为60℃，转速设置为1000rad/min，得到均匀的离子胶前驱体溶液。
(5)最后采用丝网印刷法制作离子胶栅介质层图案，丝网印刷是将离子胶前驱体溶液刮涂至已经制备好半导体层和电极层的中间产物上。其中离子凝胶与自然氧化Al2O3层形成共栅堆积介质。在丝印过程中，将丝印阵列图案与热蒸发沉积的电极图案相对应，保证丝印离子凝胶完全覆盖In2O3沟道层并连接栅电极。将离子凝胶前驱体溶液滴在丝网图案上，施加较为平衡的力使刮刀匀速穿过屏幕图案，最终形成具有负光电导效应的晶体管器件阵列，其阵列图如图5所示。
在本实施例中，高分子聚合物为偏二氟乙烯-共-六氟丙烯P(VDF-HFP)，离子液为1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲磺酰)亚胺[(EMIM)(TFSI)。
在本实施例中，对制备的晶体管阵列中，采用半导体测试分析系统4200分别对晶体管的性能进行测试，从而间接判定每种条件下制备的晶体管性能，经测试后发现在步骤(2)中通入的反应气体氧气O2与溅射气体的体积比为4：40时，选用特定图案化掩膜版，制备的半导体层有利于制备良好的晶体管。在真空状态下(本底压强小于8×10-4Pa)，Al电极层通过热蒸发法被沉积，沉积速率为约
选用特定图案化掩膜版，沉积的厚度为约70nm，并使其在大气中自然反应，在电极表面形成约5nm的Al2O3层，制备出具有Al2O3层的Al电极。
在本实施例中，在制备离子胶栅介质层时，还做了将高分子聚合物、离子液和丙酮的质量比分别设置为1：4：5、1：4：6、1：4：7，随后进行丝网印刷相应的离子胶图案，在显微镜下观察不同浓度下印刷的离子胶栅介质层表面和边界情况，如图8所示。可以发现随着丙酮的质量比增加，边缘逐渐规整。同时，在本实施例中还测试了不同浓度下的离子胶浓度的比电容情况，如图9所示，发现随着丙酮质量比的增加，比电容有所下降。最终综合不同离子胶浓度和表面形貌优选1：4：6的质量比作为离子胶的配比。通过选用特定图案化掩膜版丝网印刷的方法将离子胶前驱体溶液图案阵列化，覆盖在沟道层上并连接栅极电极，使栅电极发挥效用。对制备好的晶体管进行测试，具体测试的转移曲线结果如图6所示。从图中可以看出晶体管的电流开关比达到104，拥有较大的回滞窗口，经过计算得到回扫亚阈值摆幅SS小于60mV/decade；其输出曲线图如图7所示，从图中可以看出半导体层与Al电极间形成了良好的欧姆接触。同时，本发明也对整个晶体管器件阵列的所有晶体管进行了电学性能的测试，所有的晶体管均可以工作，证明本发明的方法制作的晶体管阵列器件具有很好的均一性、稳定性和可重复性。
本实施例中，对制备的晶体管阵列中，本发明使器件在黑暗条件和光照条件(紫外光，365nm)下进行转移曲线的测试，如图10所示，在光照下转移曲线明显右移，且当VGS＝-2V时电流有明显的下降，证明本发明上述方法制作的晶体管具有一个负的光电导效应，为构造模拟人工视觉系统提供了一种有潜力的新平台。
上述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有负光电导效应的晶体管，包括基底(1)和设置于所述基底(1)之上的半导体层(2)；其特征在于，所述半导体层(2)上连接有电极(3)，所述半导体层(2)的全部和电极(3)的部分被一栅介质层(4)包覆，所述电极(3)一端埋置于栅介质层(4)内，另一端伸出至栅介质层(4)外；所述半导体层(2)为金属氧化物半导体层；所述栅介质层(4)为离子胶固化得到的高单位电容栅介质。
2.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述电极(3)包括源极(32)、漏极(33)与栅极(31)，所述源极(32)、漏极(33)与栅极(31)呈近似品字形分布；所述源极(32)与漏极(33)设置于所述半导体层(2)上且部分延伸至所述基底(1)上；所述栅极(31)设置于所述基底(1)上且与所述半导体层(2)不接触；所述栅介质层(4)覆盖栅极(31)部分区域以及半导体层(2)上的源极(32)与漏极(33)。
3.根据权利要求2所述的晶体管，其特征在于，所述半导体层(2)上的源极(32)与漏极(33)面积相等且对称分布，所述半导体层(2)上的源极(32)与漏极(33)之间具有沟道(5)。
4.根据权利要求3所述的晶体管，其特征在于，所述半导体层(2)上的源极(32)与漏极(33)的面积范围均为2×105～5×106平方微米；所述半导体层(2)上的源极(32)与漏极(33)之间的沟道(5)长度为80-300微米，宽度为1000-5000微米。
5.根据权利要求1-4任一项所述的晶体管，其特征在于，所述电极(3)为Al电极；所述Al电极的厚度为70～90nm；且半导体层(2)的厚度为15～30nm。
6.根据权利要求5所述的晶体管，其特征在于，所述Al电极的电极表面有4～12nm厚的Al2O3。
7.根据权利要求1-4任一项所述的晶体管，其特征在于，所述金属氧化物为In2O3、IZO、ITO、IGZO、ZnO或SnO中的任意一种。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)准备基底；
(2)在所述基底上覆盖掩膜，通过磁控溅射工艺在基底上沉积出特定形状的半导体层，得到带有半导体层的样品；磁控溅射时，反应气体为氧气，溅射气体为氩气；氧气与氩气的气体体积流量比为(2～7)：40；
(3)在步骤(2)中得到的带有半导体层的样品上覆盖掩膜，在未被半导体层覆盖的基底上和半导体层上各留出窗口，采用热蒸发法在该窗口上沉积Al电极层，得到中间产品；
(4)在步骤(3)中得到中间产品表面采用丝网印刷法涂布离子胶，使离子胶覆盖半导体层及部分Al电极层；将离子胶干燥固化即得到晶体管。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中的离子胶是将高分子聚合物、离子液和溶剂混合而成，所述离子液为1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲磺酰)亚胺。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中的离子胶是将所述高分子聚合物、离子液和溶剂按照质量比1：4：(5～7)配合而成；所述高分子聚合物为偏二氟乙烯-共-六氟丙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇树脂、聚甲基丙烯酸甲酯以及聚苯乙烯中的任意一种；所述溶剂为丙酮。
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