一种单晶硅纳米薄膜柔性瞬态电子器件、制备方法和应用技术

本发明专利技术属于微纳电子器件技术领域，具体为一种单晶硅纳米薄膜柔性瞬态电子器件、制备方法和应用。本发明专利技术采用先器件、后转移的制备方法，将按照标准半导体工艺制备的单晶硅纳米薄膜电子器件/阵列整体转移到带有瞬态功能层的聚酰亚胺薄膜柔性衬底上面。本发明专利技术制备方法具有与当前IC工艺兼容、结构规模可任意调整、适合工业化放大生产的优势。本发明专利技术通过栅极调控沟道能带，该器件光电流与暗电流比值可以超过10

【技术实现步骤摘要】
一种单晶硅纳米薄膜柔性瞬态电子器件、制备方法和应用
本专利技术涉及一种单晶硅纳米薄膜柔性瞬态电子器件、制备方法和应用，属于微纳电子器件

技术介绍
伴随微电子技术不断发展，器件尺寸特征和集成度不断接近理论极限。二维纳米薄膜凭借超薄的厚度带来的独特理化特性及柔性特征，使其在可穿戴、可植入、环境保护等诸多领域拥有巨大的应用潜力。其中，高性能场效应晶体管和光电探测器作为这些柔性器件逻辑单元的基础及探测传感部分，成为该领域的重点研究方向。虽然有机半导体材料具有天然的柔性特征，但其电子迁移率等电学特性远无法与传统的硅、锗无机半导体材料媲美。因而以无机半导体纳米薄膜为基础的半导体柔性器件，在电学性能上具有得天独厚的优势。目前获取硅纳米薄膜柔性器件的工艺，多采用腐蚀绝缘层上单晶硅纳米薄膜（SOI）二氧化硅埋层释放顶层薄膜的形式，手工将硅纳米转移到有机物衬底并结合后续工艺获取柔性器件。然而，有机物衬底的存在使得器件无法经受各类高温条件下的半导体工艺流程，不利于获取高性能器件。为使腐蚀液从侧面有效进入氧化物埋层，硅纳米薄膜的尺寸不能太大；对较大尺寸的薄膜，需要在表面开启刻蚀窗口，因此这样的工艺不适于制备大面积连续的硅纳米薄膜及相关器件。同时手工转移方式并不适合批量化的流片工艺。对于单晶硅纳米薄膜的光电探测器，目前多采用两端带有金属-半导体-金属（MSM）结构（ScientificReports2016,6:37857）或p-n/p-i-n光电二极管结构（Appl.Phys.Lett.2017,110:253104）。受限于较高的暗电流水平，器件开关比都不高，一般在102量级水平。即便通过一定的响应增强途径（PhysicaStatusSolidiA:ApplicationsandMaterialsScience2017,214,1700295），其数倍的增强效果对于开关比的提高也十分有限。为获取更高的开关比，增强器件对弱光信号探测灵敏度，可将焦点集中到器件结构上来-使用带有栅极的光敏场效应晶体管结构。通过器件两端扩散掺杂形成n+-p-n+结构，背对背的p-n节可以保证器件在关闭状态下的漏电流（即无光条件下的暗电流）。同时，通过引入栅压的调控，可以使光照条件下沟道中的光生电子-空穴对有效分离，获取更高的响应（IEEEElectronDeviceLetters,1998,19(11):435）。对于硅纳米薄膜光电晶体管，从机理上讲其开关比提高主要得益于以下三个方面：（1）通过栅压调控沟道能带水平，增大沟道与两端源漏区的势垒高度，进而减小器件暗电流；（2）使用单晶硅纳米薄膜横向异质结结构，具有远小于体硅材料的导电截面，有利于减小器件暗电流；（3）在漏极通正偏压的工作状态下，光生电子扩散进入漏极，空穴在沟道积累降低了沟道能带水平，减小两端势垒，从而增大器件的光电流（Jpn.J.Appl.Phys.1996,35,1382）。瞬态器件是指制备后可以再设定的时间内稳定工作；在特定条件触发后，器件部分或完全消失，进而实现不可逆的结构及功能损毁（ChemistryofMaterials201628(11),3527）。凭借其自行损毁并消失的特性，瞬态器件在免取出的可植入器件（Nature2016530(7588),71）、可降解的环保器件（Naturecommunications20156,7170）以及防止敏感信息泄露的信息安全领域（AdvancedMaterialsTechnologies20172(5)）具有重要应用价值。然而，受制于有机触发材料的限制，当前的瞬态电子器件多无法适应诸如车辆、航天、能源开采等高温（>150℃）应用环境。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种单晶硅纳米薄膜柔性瞬态电子器件、制备方法和应用；本专利技术制备方法与当前半导体标准工艺流程相兼容，突出优势还在于适合制备大面积连续的硅纳米薄膜及瞬态器件，不需破坏硅薄膜表面开启刻蚀窗口；制备的柔性瞬态器件可适应高温工作环境，而通过在硅纳米薄膜下方添加高温触发后近乎100%气化的膜层材料-聚α甲基苯乙烯，可以赋予制备的光电探测器高温触发自损毁的功能，作为瞬态器件，在更高温度的触发作用下，器件可以实现可控的损毁；同时，本专利技术的柔性器件制备方法可显著提高纳米薄膜光电探测器开关比，先器件后减薄的制备流程非常便于调整器件结构，并按照标准工艺在器件感光沟道的背面添加有效的栅极调控。通过栅压调控沟道能带水平，增大沟道与器件两端势垒高度进而减小暗电流。此外，采用本专利技术柔性器件的制备方法可以灵活改变器件多层膜结构组成。本专利技术通过自底向上的减薄途径获取单晶硅纳米薄膜器件的制备方案；器件按照标准的半导体工艺加工在SOI晶圆上，通过深硅刻蚀工艺将SOI晶圆背面的硅衬底全部去除，获取相应的柔性器件。本专利技术的技术方案具体介绍如下。本专利技术提供一种单晶硅纳米薄膜柔性瞬态电子器件的制备方法，具体步骤如下：（1）将绝缘层上单晶硅SOI晶圆背面研磨减薄到200μm以下；（2）采用标准半导体工艺，在SOI晶圆上通过图形化、掺杂、介质层沉积、金属化及一系列热处理工艺，完成电子器件制备；（3）借助紫外臭氧清洗机清洁器件表面后，在晶片表面旋涂聚-α甲基苯乙烯PAMS胶层；随后旋涂聚酰亚胺PI涂层，并加热完成固化；（4）在聚酰亚胺PI涂层表面旋涂聚二甲基硅氧烷PDMS，通过层压键合的方式使之与表面蒸镀有二氧化硅的聚酰亚胺PI薄膜结合，并通过真空烘箱完成PDMS固化，形成一个整体；（5）将绝缘层上单晶硅SOI晶圆背面暴露，聚酰亚胺PI薄膜一侧贴合到另一块表面带有已固化聚二甲基硅氧烷PDMS的临时玻璃衬底上面；（6）高温胶带保护绝缘层上单晶硅SOI晶圆四周边缘后，使用缓冲氧化物刻蚀液及丙酮、异丙醇、去离子水清洁SOI晶圆背面；（7）通过感应耦合等离子体刻蚀ICP-RIE工艺，分步刻蚀SOI晶圆背面硅衬底至氧化物埋层；（8）以紫外光刻工艺和反应离子刻蚀RIE与氢氟酸缓冲溶液腐蚀BOE结合的工艺，穿过器件氧化物埋层形成互联通孔，使另一侧的器件金属电极图案区域得以暴露；（9）将样品从临时玻璃衬底上面揭下，并通过激光裁剪或其它机械切割的形式去除样品边框，获取最终的柔性瞬态器件。本专利技术中，步骤（3）中，旋涂的聚-α甲基苯乙烯PAMS胶层厚度在3.8~4.2μm;旋涂的聚酰亚胺牌号为PI2000，厚度在4.8~5.2μm之间。本专利技术中，步骤（3）中，聚-α甲基苯乙烯PAMS用氨三乙酸NTA、苯磺酰肼BSH、偶氮二甲酰胺ADCA或四氢噻吩THT替代。本专利技术中，步骤（4）中，聚二甲基硅氧烷PDMS层的厚度在4.8~5.2μm之间，镀有二氧化硅的聚酰亚胺薄膜的厚度在12.3~12.7μm之间。本专利技术还提供一种上述的制备方法制得的单晶硅纳米薄膜柔性瞬态电子器件。本专利技术进一步提供一种上述单晶硅纳米薄膜柔性瞬态电子器件在制作敏感信息/技术防泄密保护装置、具有超高开关比的单晶硅纳米薄膜瞬态光电探测器、芯片上集成的自损毁高温电路保护器件以及光纤通讯情报监听装置中的应用。和现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：（1）在本专利技术的瞬态器件结构中，PAMS膜层起触发瞬态失效的功能。该材料在~300℃的高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单晶硅纳米薄膜柔性瞬态电子器件的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：（1）将绝缘层上单晶硅SOI晶圆背面研磨减薄到200 μm；（2）采用标准半导体工艺，在SOI晶圆上通过图形化、掺杂、介质层沉积、金属化及一系列热处理工艺，完成电子器件制备；（3） 借助紫外臭氧清洗机清洁器件表面后，在晶片表面旋涂聚‑α甲基苯乙烯PAMS胶层；随后旋涂聚酰亚胺PI涂层，并加热完成固化；（4）在聚酰亚胺PI涂层表面旋涂聚二甲基硅氧烷PDMS，通过层压键合的方式使之与表面蒸镀有二氧化硅的聚酰亚胺PI薄膜结合，并通过真空烘箱完成PDMS固化，形成一个整体；（5）将绝缘层上单晶硅SOI晶圆背面暴露，聚酰亚胺PI薄膜一侧贴合到另一块表面带有已固化聚二甲基硅氧烷PDMS的临时玻璃衬底上面；（6）高温胶带保护绝缘层上单晶硅SOI晶圆四周边缘后，使用缓冲氧化物刻蚀液及丙酮、异丙醇、去离子水清洁SOI晶圆背面；（7）通过感应耦合等离子体刻蚀ICP‑RIE工艺，分步刻蚀SOI晶圆背面硅衬底至氧化物埋层；（8）以紫外光刻工艺和反应离子刻蚀RIE与氢氟酸缓冲溶液腐蚀BOE结合的工艺，穿过器件氧化物埋层形成互联通孔，使另一侧的器件金属电极图案区域得以暴露；（9）将样品从临时玻璃衬底上面揭下，并通过激光裁剪或其它机械切割的形式去除样品边框，获取最终的柔性瞬态器件。...

【技术特征摘要】
1.一种单晶硅纳米薄膜柔性瞬态电子器件的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：（1）将绝缘层上单晶硅SOI晶圆背面研磨减薄到200μm；（2）采用标准半导体工艺，在SOI晶圆上通过图形化、掺杂、介质层沉积、金属化及一系列热处理工艺，完成电子器件制备；（3）借助紫外臭氧清洗机清洁器件表面后，在晶片表面旋涂聚-α甲基苯乙烯PAMS胶层；随后旋涂聚酰亚胺PI涂层，并加热完成固化；（4）在聚酰亚胺PI涂层表面旋涂聚二甲基硅氧烷PDMS，通过层压键合的方式使之与表面蒸镀有二氧化硅的聚酰亚胺PI薄膜结合，并通过真空烘箱完成PDMS固化，形成一个整体；（5）将绝缘层上单晶硅SOI晶圆背面暴露，聚酰亚胺PI薄膜一侧贴合到另一块表面带有已固化聚二甲基硅氧烷PDMS的临时玻璃衬底上面；（6）高温胶带保护绝缘层上单晶硅SOI晶圆四周边缘后，使用缓冲氧化物刻蚀液及丙酮、异丙醇、去离子水清洁SOI晶圆背面；（7）通过感应耦合等离子体刻蚀ICP-RIE工艺，分步刻蚀SOI晶圆背面硅衬底至氧化物埋层；（8）以紫外光刻工艺和反应离子刻蚀RIE与氢氟酸缓冲溶液腐蚀BOE结合的工艺，穿过器件氧化物...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅永丰，李恭谨，宋恩名，黄高山，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海,31