TWI426566B - 薄膜電晶體與其製法 - Google Patents

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薄膜電晶體與其製法
本發明係關於一種薄膜電晶體，特別是一種可低溫製作的薄膜電晶體。
現今新一代的光電裝置如顯示器、家用電子產品、太陽能電池等，所發展關鍵技術之一是透明電子元件的應用；其中，透明薄膜電晶體(transparent thin film transistor，TTFT)已成為實踐透明電子元件的重要元件。習知技術提出以氧化寬能隙(band gap)化合物半導體作為透明薄膜電晶體的通道(channel)材料，其中，由於低光敏度(photo-sensitivity)、低成本、無環境污染、製程簡單、高載子移動率等優點，氧化鋅成為十分理想的通道材料選擇。
另外，習知技術的透明薄膜電晶體，在應用上多為底閘式(bottom gate)的結構，且閘極絕緣層為無機絕緣層。以氧化鋅半導體為例，其製程常塗佈氧化鋅的溶膠-凝膠(sol-gel)溶液於無機絕緣層上，再以傳統熱製程移除溶劑，並以高溫退火使溶液再結晶形成氧化鋅半導體層。雖然上述溶液製程所製備的薄膜電晶體具有不錯的特 性，但因為製程溫度通常會超過500℃，造成製造成本高、產率低，並且，基板與閘極絕緣層的材質也受製程溫度的限制。
因此，亟需提出一種新的薄膜電晶體與其製法，以改善上述問題。
本發明的目的在於提出一種新的薄膜電晶體與其製法，其製造成本低、產率高，並且可在低溫下製作，使得基板與閘極絕緣層的材質選擇不受限制。
根據上述目的，本發明一實施例揭露一種薄膜電晶體的製造方法，包含下列步驟：提供一基板；形成一圖案化的第一導電層於基板上；形成一有機絕緣層於第一導電層與基板上；形成一種子層於有機絕緣層上；以上述種子層作為長晶中心，形成一無機半導體層於種子層上；形成一圖案化的第二導電層於無機半導體層上。其中些步驟所需的製程溫度控制於200℃以下。
根據上述目的，本發明一實施例揭露一種薄膜電晶體，包含一基板，一圖案化的第一導電層位於基板上，一有機絕緣層位於第一導電層與基板上，一種子層位於有機絕緣層上，一無機半導體層位於有種子層上，以及一圖案化的第二導電層位於無機半導體層上。
10‧‧‧提供一基板
11‧‧‧形成一圖案化的第一導電層於基板上
12‧‧‧形成一有機絕緣層於第一導電層與基板上
13‧‧‧形成一種子層於有機絕緣層上
14‧‧‧以種子層作為長晶中心，形成一無機半導體層於種子層上
15‧‧‧形成一圖案化的第二導電層於無機半導體層上
20‧‧‧薄膜電晶體
21‧‧‧基板
22‧‧‧第一導電層
23‧‧‧有機絕緣層
24‧‧‧種子層
25‧‧‧無機半導體層
26‧‧‧第二導電層
第一圖顯示根據本發明實施例薄膜電晶體的形成方法；第二圖顯示根據本發明實施例的一薄膜電晶體； 第三圖的顯示以掃描電子顯微鏡與穿透式電子顯微鏡觀察本發明實施例所形成薄膜電晶體的結構與形態；第四圖顯示以紫外/可見光分光譜儀分析本發明實施例所製備的薄膜電晶體的光穿透率(不包含鋁電極)；第五圖顯示根據本發明實施例所製備之薄膜電晶體的電壓電流(VDS-IDS)圖；以及第六圖根據本發明實施例所製備之薄膜電晶體在固定汲-源極電壓(VDS)為6V下的電壓電流(VGS-IDS)圖。
以下將詳述本案的各實施例，並配合圖式作為例示。除了這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地施行在其他的實施例中，任何所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本案的範圍內，並以之後的專利範圍為準。在說明書的描述中，為了使讀者對本發明有較完整的了解，提供了許多特定細節；然而，本發明可能在省略部分或全部這些特定細節的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的步驟或元件並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要之限制。
第一圖說明根據本發明實施例薄膜電晶體的形成方法，其包含下列步驟：步驟10，提供一基板；步驟11，形成一圖案化(patterned)的第一導電層於基板上；步驟12，形成一有機絕緣層於第一導電層與基板上；步驟13，形成一種子層於有機絕緣層上；步驟14，以種子層作為長晶中心，形成一無機半導體層於種子層上；步驟15，形 成一圖案化的第二導電層於無機半導體層上。
上述所有步驟所需的製程溫度控制於200℃以下；因此，基板與有機絕緣層的材質的選擇性較習知範圍廣。例如，基板可包含玻璃基板、塑膠基板、軟性印刷電路板、銦錫氧化物(Indium tin oxide，ITO)或其他導電或非導電材料。而有機絕緣層係為阻止電流通過的有機薄膜，其材質包含任何有機高介電材料(High K)或有機低介電材料(Low K)，其中可定義介電係數K超過3.9的材料為高介電材料，介電係數K小於3.9的材料為低介電材料，或者，在本領域也經常以介電係數K小於2.8作為低介電材料的K值上限。在一實施例中，有機絕緣層的材料包含聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate；PMMA)或聚苯乙烯(polystyrene；PS)。在另一實施例中，有機絕緣層的材料可包含透明塑膠材料，如：聚醯亞胺(polyimide；PI)、聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone；PVP)、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol；PVA)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate；PET)、聚碳酸酯(polycarbonates；PC)、聚苯二甲酸乙二酯(PEN)、聚醚碸(polyethersulfone；PES)、聚醚醯亞胺(polyetherimide；PEI)、環烯烴共聚物(Metallocene based Cyclic Olefin CopolymermCOC)及其衍生物。
有機絕緣層可利用一液相製程，例如旋轉塗佈(spin coating)、浸漬塗佈(dip coating)、噴墨印刷(ink printing)等方法，或一氣相製程，例如熱蒸鍍(thermal evaporation)等方法形成。若以液相製程形成有機絕緣層，必須先將有機絕緣層的材料溶解於一溶劑以形成一有機絕緣溶液，之後將有機絕緣溶液形成在圖案化的第一導電層與 基板上，再進行一加熱製程以將溶劑移除。溶劑可選自氯仿(chloroform)、二氯甲烷(dichloromethane)、甲苯(toluene)、四氯扶喃(tetrahydrfuran)、1,2-二氯苯(1,2-dichlorobenzene)、1,4-二氯苯(1,4-dichloro-benzene)、氯苯(chlorobenzene)、正己烷(n-hexane)所構成群組的其中之一或其組合。
種子層的材質包含氧化鋅、金、錫、鈷等，作為之後無機半導體層的長晶中心，其製作方式包含以物理氣相沉積，例如蒸鍍(evaporation)、低溫濺鍍(sputtering)等方式在有機絕緣層上鍍上氧化鋅、金、錫或鈷的微奈米粒子。或者，以溶液製程，例如，先將種子層的材料(氧化鋅、金、錫或鈷)溶解且/或懸浮於一溶劑以形成一種子層溶液，再將種子層溶液以旋轉塗佈(spin coating)、浸漬塗佈(dip coating)等方式形成在有機絕緣層，之後進行一加熱(回火)製程以移除溶劑。溶劑可包含異丙醇(isopropanol)、甲醇(methanol)、乙醇(ethyl alcohol)、丙三醇(glycerol)、丙醇(propanol)等等。
無機半導體層的形成方法，包含水熱(hydrothermal)、旋轉塗佈(spin coating)、浸漬塗佈(dip coating)、電化學法、熱蒸鍍(thermal evaporation)、化學氣相沉積(chemical vapor deposition)、分子束磊晶(molecular beamepitaxy)、陽極氧化鋁多孔模板(Anodic aluminum oxide AAO)等方法。
第二圖顯示根據本發明實施例的一薄膜電晶體20，其可根據本發明實施例所提供的薄膜電晶體之形成方法形成。底閘式(bottom gate)薄膜電晶體20包含：一基板21；一圖案化的第一導電 層22位於基板21上，第一導電層22作為薄膜電晶體20的閘極；一有機絕緣層23位於第一導電層22與基板21上；一種子層24位於有機絕緣層23上；一無機半導體層25位於有種子層24上；以及一圖案化的第二導電層26位於無機半導體層25上，圖案化的第二導電層26作為薄膜電晶體20的源極與汲極。
其中基板21包含軟性基板或是硬式基板，材質可包含玻璃、陶瓷、矽或其他導電或非導電材料。圖案化的第一導電層22與圖案化的第二導電層26作為薄膜電晶體的閘極、源極與汲極，材質包含金屬、無機導電材料或高分子導電材料，例如金、銀、鉬、鋁、銅、銦錫氧化物、錫銻氧化物(antimony tin oxide)、聚噻吩(polythiophene)、聚二氧乙基噻吩(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)。有機絕緣層23係為阻止電流通過之有機薄膜，包含任何有機高介電材料(High K)或有機低介電材料(Low K)。種子層24包含氧化鋅、金、錫、鈷等。無機半導體層25的結構可為規則或是不規則結構，且其結構包含奈米粒子、奈米柱、奈米團聚或奈米薄膜。
較佳實施例
以下說明根據本發明較佳實施例之薄膜電晶體的形成方法。首先，在一玻璃基板上形成圖案化的銦錫氧化物(Indium tin oxide，ITO)，作為閘極。接著，依序以異丙醇、丙酮、甲醇、去離子水清洗玻璃基板。接著，將聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl-methacrylate，PMMA)以重量百分濃度大約8wt%溶於溶劑甲苯，形成一有機絕緣溶液。除了甲苯之外，也可選用氯仿(chloroform)、二氯甲烷(dichloromethane)等對於有機絕緣材料溶解度佳的其他溶劑。接著，將上述有機絕緣溶液以旋轉 塗佈(spin coating)的方式形成在玻璃基板上，旋轉塗佈的參數為8000至9000rpm，80sec。使用高轉速旋轉塗佈的原因是因為聚甲基丙烯酸甲酯溶液的濃度較高(8wt%)，需較高轉速才能使所形成的有機絕緣層控制在200nm左右。接著，加熱(退火)玻璃基板至約150℃、3hr，以移除有機絕緣溶液中的溶劑，形成厚度大約165nm的有機絕緣層。在其他實施例中關於有機絕緣溶液或聚甲基丙烯酸甲酯的加熱(退火)範圍可在70℃至200℃，時間約1hr至3hr。
接著，以旋轉塗佈方法將一種子層溶液形成於有機絕緣層之上，種子層溶液包含粒徑約為20nm的氧化鋅奈米粒子、去水醋酸鋅(Zin acetate dehydrate)、乙醇胺(Monoethanal-amine，MEA，作為穩定劑)、異丙醇(IPA，溶劑)的混合物，濃度大約為0.5M。選用異丙醇作為溶劑的原因是因為其與有機絕緣層相容且不破壞有機絕緣材料，並使有機絕緣溶液在旋轉塗佈時，具良好均勻性(uniformity)；而氧化鋅奈米粒子可增進種子層在有機絕緣層上的附著性。另外，進行旋轉塗佈之前，有機絕緣溶液可預先加熱至約110-130℃，例如120℃，以減少溶液的表面張力，使塗佈均勻性更佳。
接著，進行一退火步驟，使形成一種子層於有機絕緣層上，退火步驟的溫度範圍可控制在室溫到150℃之間。此退火溫度可依照基板與有機絕緣層的材質而定。例如，當基板為軟性印刷電路板(Flexible Printed Circuit)，則退火溫度可限制小於150℃，若基板為玻璃，則退火溫度可提高到200℃但最好不超過200℃，因為若退火溫度超過200℃，可能會破壞有機絕緣層，例如上述的聚甲基丙烯酸甲酯絕 緣層。另外，值得注意的是，在本發明另一較佳實施例中，是以低溫濺鍍法在有機絕緣層上鍍上種子層；相較於使用旋轉塗佈方法，此法所鍍上的種子層更為平坦。
接著，以水熱法在種子層上形成氧化鋅半導體層(無機半導體層)，所形成氧化鋅半導體層的厚度大約980nm。水熱法是一種在密閉容器內完成的濕化學方法，與溶膠-凝膠法的區別為製程溫度和壓力不同。形成氧化鋅半導體層的方法包含將一氧化鋅置入一水溶液以形成一氧化鋅溶液，氧化鋅溶液的溫度控制在約90℃低溫，並持續3小時，藉以進行水熱法(hydrothermal)。水溶液包含醋酸鋅(zinc nitrate dehydrate)、環六亞甲四胺(hexamethylenetetramine)、去離子水。
在製作氧化鋅或其他無機半導體層所使用的製程溫度，例如上述水熱法中氧化鋅溶液的溫度，也同樣必須根據基板與無機絕緣層的材質而定。根據本發明實施例，氧化鋅溶液的製程溫度控制在約55℃至100℃，較佳者為65℃至80℃，這是因為氧化鋅溶液在55℃以上才開始產生結晶，而太高的溫度會使結晶速度過快，影響結晶的品質。
接著，在氧化鋅半導體層上形成一圖案化的第二導電層，其材質例如鋁，厚度大約980nm，形成的方法可包含熱蒸鍍(thermal evaporation)以及/或者其他本領域已知的方法，圖案化第二導電層是作為一源極與一汲極。至此，一可在低溫製程下製作的透明薄膜電晶體已完成，所形成薄膜電晶體的通道(channel)的長度與寬度分別大約是30μm與100μm。
第三圖的(a)與(b)分別顯示以掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)與穿透式電子顯微鏡(trans-mission electron microscopy，TEM)觀察所形成薄膜電晶體的結構與形態。掃描電子顯微鏡圖像(a)顯示藉由水熱法，氧化鋅晶粒成功地在聚甲基丙烯酸甲酯上形成緊密排列，因此可改善通道的載子移動率。穿透式電子顯微鏡圖像(b)顯示許多氧化鋅奈米柱形成在聚甲基丙烯酸甲酯上，另外其局部放大的高分辨穿透式電子顯微鏡(HRTEM)圖像顯示沿者氧化鋅成長方向之晶格條紋(lattice fringes)所測量的晶格距離(lattice distance)大約是0.52nm，此表示在聚甲基丙烯酸甲酯上所形成的氧化鋅層其結晶品質相當良好。
第四圖顯示以紫外/可見光分光譜儀分析本發明實施例所製備的薄膜電晶體的光穿透率(不包含鋁電極)。如圖所示，本發明實施例所製備的薄膜電晶體的光穿透率在可見光波長450nm至800nm範圍其光穿透率分別高達82%至91%。
第五圖顯示根據本發明實施例所製備之薄膜電晶體的電壓電流(VDS-IDS)圖。其中曲線VGS=0V表示在固定閘極電壓為0V下，施加不同源極(或汲極)電壓VDS，在汲極(或源極)測量的電流IDS，其他曲線VGS=4V、VGS=8V、VGS=12V以此類推。當源極電壓VDS增加，各曲線的斜率趨於平坦，此顯示通道已經飽和，表示薄膜電晶體的輸出阻抗大，可應用於大多數的電路裝置。
第六圖根據本發明實施例所製備之薄膜電晶體在固定汲-源極電壓(drain-source voltage,VDS)為6V下的電壓電流(VGS-IDS)圖，其中左邊曲線為VGS-IDS，右邊曲線則 為VGS-(IDS)1/2。左邊曲線VGS-IDS顯示一汲極電流的開關比(on to off ratio)超過106；右邊曲線可以被一直線模擬，由直線的斜率可計算出載子移動率(μ FEsat)為17.2cm2/Vs、由直線與橫軸(VGS)的交錯可獲得起始電壓Vth(threshold voltage)僅為1.5V，此表示所製備薄膜電晶體的靈敏度良好。
藉由種子層作為長晶中心，本發明實施例成功揭露一種可在低溫下製作的薄膜電晶體，並且在有機絕緣層上形成無機半導體層，使基板與閘極絕緣層的材質選擇更加廣泛、降低生產成本、提高製造良率。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其他未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
10‧‧‧提供一基板
11‧‧‧形成一圖案化的第一導電層於基板上
12‧‧‧形成一有機絕緣層於第一導電層與基板上
13‧‧‧形成一種子層於有機絕緣層上
14‧‧‧以種子層作為長晶中心，形成一無機半導體層於種子層上
15‧‧‧形成一圖案化的第二導電層於無機半導體層上

Claims (26)

  1. 一種薄膜電晶體的製造方法，包含下列步驟：提供一基板；形成一圖案化的第一導電層於該基板上；形成一有機絕緣層於該第一導電層與該基板上；形成一種子層於該有機絕緣層上；以該種子層作為長晶中心，利用一水熱法在一密閉容器內形成一無機半導體層於該種子層上；以及形成一圖案化的第二導電層於該無機半導體層上。
  2. 如申請專利範圍第1項的製造方法，其中該些步驟所需的製程溫度控制於200℃以下。
  3. 如申請專利範圍第2項的製造方法，其中該有機絕緣層係用於阻止電流通過，其材質包含有機高介電材料(High K)或有機低介電材料(Low K)。
  4. 如申請專利範圍第3項的製造方法，其中該有機絕緣層的形成方法包含熱蒸鍍(thermal evaporation)。
  5. 如申請專利範圍第3項的製造方法，其中該有機絕緣層的形成方法包含旋轉塗佈(spin coating)、浸漬塗佈(dip coating)、噴墨印刷(ink printing)。
  6. 如申請專利範圍第5項的製造方法，其中該有機絕緣層的材料包含聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯，該有機絕緣層的材料被溶解於一溶劑以形成一有機絕緣溶液，並將該有機絕緣溶液形成在該第一導 電層與該基板上，之後進行一加熱步驟以移除該溶劑而形成該有機絕緣層。
  7. 如申請專利範圍第6項的製造方法，其中該溶劑係選自氯仿(chloroform)、二氯甲烷(dichloro-methane)、甲苯(toluene)、四氯扶喃(tetra-hydrfuran)、1,2-二氯苯(1,2-dichloro-benzene)、1,4-二氯苯(1,4-dichlorobenzene)、氯苯(chloro-benzene)、正己烷(n-hexane)的其中之一或其組合。
  8. 如申請專利範圍第2項的製造方法，其中該種子層包含氧化鋅、金、錫或鈷。
  9. 如申請專利範圍第8項的製造方法，其中該種子層的製作方式包含以蒸鍍(evaporation)或濺鍍(sputtering)的方式在該有機絕緣層上鍍上氧化鋅、金、錫或鈷等奈米粒子。
  10. 如申請專利範圍第8項的製造方法，其中該種子層的製作方式包含先將種子層的材料溶解且/或懸浮於一溶劑以形成一種子層溶液，再將該種子層溶液以旋轉塗佈(spin coating)、浸漬塗佈(dip coating)等方式形成在該有機絕緣層，之後進行一加熱製程以移除該溶劑。
  11. 如申請專利範圍第10項的製作方法，其中該溶劑係選自異丙醇(isopropanol)、甲醇(methanol)、乙醇(ethyl alcohol)、丙三醇(glycerol)、丙醇(propanol)等其中之一。
  12. 如申請專利範圍第10項的製作方法，其中該種子層溶液包含氧化鋅奈米粒子、去水醋酸鋅(Zin acetate dehydrate)、乙醇胺(Monoethanal-amine，MEA)、異丙醇。
  13. 如申請專利範圍第1項的製作方法，其中該無機半體層的製作方法包含將該無機半導體的材質溶於一水溶液以形成一無機半導體溶液，藉以進行水熱法。
  14. 如申請專利範圍第13項的製作方法，其中該無機半導體溶液包含氧化鋅、醋酸鋅(zinc nitrate dehydrate)、環六亞甲四胺(hexamethyl-enetetramine)、去離子水。
  15. 如申請專利範圍第13項的製作方法，其中該水熱法的製程溫度控制在約55℃至100℃的範圍內。
  16. 如申請專利範圍第15項的製作方法，其中該水熱法的製程溫度控制在約65℃至80℃的範圍內。
  17. 如申請專利範圍第2項的薄膜電晶體，其中該無機半導體層利用旋轉塗佈法(spin coating)、浸漬塗佈(dip coating)、電化學法、熱蒸鍍法(thermal evaporation)、化學氣相沉積法(chemical vapor deposition)、分子束磊晶法(molecular beamepitaxy)或陽極氧化鋁多孔模板法(Anodic aluminum oxide AAO形成。
  18. 一種薄膜電晶體，包含：一基板；一圖案化的第一導電層位於該基板上，該第一導電層作為該薄膜電晶體的閘極；一有機絕緣層位於該第一導電層與該基板上；一種子層位於該有機絕緣層上；一無機半導體層位於該有種子層上，該無機半導體層係利用一水熱 法在一密閉容器內形成於該種子層上；以及一圖案化的第二導電層位於該無機半導體層上，該圖案化的第二導電層作為該薄膜電晶體的源極與汲極。
  19. 如申請專利範圍第18項的薄膜電晶體，其中該基板的材質包含玻璃、塑膠、銦錫氧化物或其他導電或非導電材料。
  20. 如申請專利範圍第18項的薄膜電晶體，其中該有機絕緣層的材料包含下列族群中之一者：聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate；PMMA)、聚苯乙烯(polystyrene；PS)、聚醯亞胺(polyimide；PI)、聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone；PVP)、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol；PVA)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate；PET)、聚碳酸酯(polycarbonates；PC)、聚苯二甲酸乙二酯(PEN)、聚醚碸(polyethersulfone；PES)、聚醚醯亞胺(polyetherimide；PEI)、環烯烴共聚物(Metallocene based Cyclic Olefin Copolymer；mCOC)及其衍生物。
  21. 如申請專利範圍第18項的薄膜電晶體，其中該種子層包含氧化鋅、金、錫或鈷。
  22. 如申請專利範圍第18項的薄膜電晶體，其中該無機半導體層包含氧化鋅。
  23. 如申請專利範圍第18項的薄膜電晶體，其中該無機半導體層的結構包含規則或是不規則的結構。
  24. 如申請專利範圍第18項的薄膜電晶體，其中該無機半導體層的結構可為奈米粒子、奈米柱、奈米團聚或奈米薄膜。
  25. 如申請專利範圍第18項的薄膜電晶體，其中該第一導電 層與第二導電層的材質包含金屬、無機導電材料或高分子導電材料。
  26. 如申請專利範圍第25項的薄膜電晶體，其中該第一導電層與第二導電層的材質包含金、銀、鉬、鋁、銅、銦錫氧化物、錫銻氧化物、聚二氧乙基塞吩。
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