一种柔性外延铁电栅薄膜晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种柔性外延铁电栅薄膜晶体管及其制备方法，该晶体管包括：云母柔性衬底；在衬底上形成的缓冲层；在缓冲层上形成的底栅电极；在底栅电极上形成的外延铁电薄膜层；在外延铁电薄膜层上形成的沟道层；在沟道层上形成的源电极；以及在沟道层上且同所述源电极分离形成的漏电极。本发明专利技术以具有金属导电性的钙钛矿氧化物SrRuO3外延薄膜作为底栅电极，以钙钛矿氧化物外延铁电薄膜作为栅介质层；其具有非常好的机械弯曲特性，可以承受2mm弯折半径和反复1000次的弯折，并保持铁电栅薄膜晶体管的电学性能基本不变；读写速度快；耐高温性能优异，经过400℃退火后其电学性能无明显变化；而且其制备工艺简单、制程稳定、制造周期短。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性外延铁电栅薄膜晶体管及其制备方法
本专利技术属于铁电栅薄膜晶体管
，特别涉及一种柔性外延铁电栅薄膜晶体管及其制备方法。
技术介绍
目前微电子行业中的常规电子器件，通常是在硅基底上结合微纳米加工工艺进行制备。这些硅基电子器件在上个世纪后半叶对人类社会的发展发挥了重大的作用，然而随着未来电子产品在便携性、超薄性、可弯曲性、可穿戴等方面的需求，需要找寻新一代的电子器件和相关制备技术。柔性电子器件以其独特的延展性及其高效、低成本的制造工艺等方面的优势，在近几年呈现出迅速发展的趋势,可以承受拉、压、弯曲等大变形的柔性电子器件的研究已成为电子、力学、材料和物理等学科的一个研究热点。铁电栅薄膜晶体管，由于其具有非挥发特性，而且单元结构和制备工艺简单、容易大面积集成、铁电薄膜层与半导体沟道层的界面特性较好、容易大面积集成、抗辐射性能好、可实现全外延结构，成为了一种受欢迎的铁电存储器结构。目前，大部分的铁电栅薄膜晶体管是基于硬质材料如单晶硅等，而柔性外延铁电栅薄膜晶体管由于其具有独特的弯曲特性以及方便携带的特点，在信息、医疗、能源和国防等方面具有广泛的应用前景。通常情况下，制作柔性薄膜晶体管常选用的栅介质材料是低成本、低温制备的有机铁电聚合物，这类栅介质材料具有制造简单、能轻易实现弯曲和延展，但是同时它也具有与衬底结合较差、读取速度慢、易极化疲劳且不耐高等缺点，因此很有必要开发新型高性能的无机铁电材料。况且，现有的制作柔性薄膜晶体管一般在柔性基底上直接形成薄膜晶体管，而柔性基底一般为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醚砜树脂(PES)、聚酰亚胺(PI)等材料，但因其不具有耐高温的缺点，所以不适合生长传统的需要高温制备的铁电材料。因此，既要兼顾有机铁电聚合物薄膜柔性耐弯折的特点，又要满足读写速度快、耐高温等特点，是当前柔性外延铁电栅薄膜晶体管需解决的问题。
技术实现思路
基于此，本专利技术的目的是提供一种柔性外延铁电栅薄膜晶体管，该晶体管具有非常好的机械弯曲特性，可以承受2mm弯折半径和反复1000次的弯折，并保持铁电栅薄膜晶体管的电学性能基本不变；读写速度快；耐高温性能优异，经过400℃退火后其电学性能无明显变化；而且其制备工艺简单、制程稳定、制造周期短。为了实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案为：一种柔性外延铁电栅薄膜晶体管，包括：云母柔性衬底；在所述衬底上形成的缓冲层；在所述缓冲层上形成的底栅电极；在所述底栅电极上形成的外延铁电薄膜层；在所述外延铁电薄膜层上形成的沟道层；在所述沟道层上形成的源电极；以及在所述沟道层上且同所述源电极分离形成的漏电极。优选的，所述外延铁电薄膜层为Pb(Zr0.1Ti0.9)O3、Pb(Zr0.2Ti0.8)O3、Pb(Zr0.3Ti0.7)O3和Pb(Zr0.52Ti0.48)O3四种外延薄膜的至少一种。通过采用上述技术方案，本专利技术的有益效果如下：锆钛酸铅具有优良的铁电特性。这一材料具有高剩余极化值，良好的耐疲劳特性，因此，在柔性外延铁电栅薄膜晶体管重有很大的应用价值。优选的，所述铁电薄膜层的厚度为120～180nm。优选的，云母基片为10～30μm的天然云母。通过采用上述技术方案，本专利技术的有益效果在于：天然云母片是一种非金属矿物，含有多种成分，其中主要有SiO2，含量一般在49％左右，Al2O3含量在30％左右。云母片是一种层状结构，层与层之间是由范德华力链接而不是化学键，这使得云母片容易被剥离分层，而且被剥离开的云母片表层是不受什么悬空键的束缚的，所以理论上可以得到非常薄的云母层。是一种同时具有柔性和透明特性的基底，况且其耐高温、耐酸碱、耐腐蚀、附着力强。通过采用天然云母作为云母基片，能够得到高质量的柔性外延铁电栅薄膜晶体管。优选的，所述缓冲层为CoFe2O4薄膜。优选的，所述CoFe2O4薄膜的厚度为5-10nm。通过采用上述优选技术方案，本专利技术的有益效果如下：其中，钴铁氧体(CoFe2O4)薄膜具有较高的矫顽力、磁化强度、磁晶各向异性、化学稳定性和耐磨损性能。优选的，所述底栅电极为SrRuO3外延薄膜。通过采用上述技术方案，本专利技术的有益效果如下：SrRuO3具有高导电率、高化学稳定性和热稳定性，与目前广泛研究的铁电薄膜(锆钛酸铅)具有类似的晶格结构和良好的晶格匹配性，能够在其上外延生长出高质量的铁电薄膜。优选的，所述SrRuO3薄膜的厚度为15-40nm。优选的，所述沟道层为氧化锌外延薄膜。优选的，所述沟道层的厚度为40～70nm。沟道层在该厚度范围，能更好的形成具有n型的ZnO。优选的，所述源电极的厚度为60～80nm，所述漏电极的厚度为60～80nm。本专利技术的另一个目的在于提供一种上述柔性外延铁电栅薄膜晶体管的制备方法，其方法包括如下步骤：(1)选择光滑无裂纹的天然云母片，然后用双面胶将其贴在操作台上，用尖头镊子逐层剥离云母，直到云母片的厚度小于30μm；(2)利用脉冲激光沉积工艺，在步骤(1)中的云母衬底上淀积CoFe2O4薄膜得到缓冲层；(3)利用脉冲激光沉积工艺，在步骤(2)中的缓冲层上进行外延生长SrRuO3薄膜，得到底栅电极；(4)利用脉冲激光沉积工艺，在步骤(3)中的底栅电极进行外延生长锆钛酸铅材料薄膜，得到铁电薄膜层；(5)利用脉冲激光沉积工艺，在步骤(4)中的外延铁电薄膜层上进行行外延生长ZnO薄膜，得到沟道层；所述步骤(1)-(5)均采用脉冲激光沉积工艺进行制备，脉冲激光沉积工艺激是将脉冲激光器所产生的高功率脉冲光束聚焦于靶材表面，使其产生高温和烧蚀，而产生高温高压等离子体，等离子体定向局域膨胀发射，并在衬底上沉积而形成薄膜。(6)在步骤(5)中的沟道层上淀积栅金属，形成源电极和漏电极，并进行退火处理；所述步骤(6)通过离子溅射工艺制得，离子溅射工艺：真空容器内，在高压的作用下，残留的气体分子被电离，形成等离子体，阳离子在电场加速下轰击金属钯，使金属原子溅射到样品的表面，形成导电膜。优选的，所述步骤(2)的具体工艺参数如下：反应室抽真空至≤1×10-6Pa；沉积温度500～600℃；沉积氧压为30～50mtorr；激光能量300～350mJ；激光脉冲频率为10Hz；沉积速率1～5nm/min。优选的，所述步骤(3)的具体工艺参数如下：反应室抽真空至≤1×10-6Pa；沉积温度550～620℃；沉积氧压为50mtorr～80mtorr；激光能量300～350mJ；激光脉冲频率为10Hz；沉积速率1～5nm/min。优选的，所述步骤(4)的具体工艺参数如下：反应室抽真空至≤1×10-6Pa；沉积温度500～600℃；沉积氧压为100～200mtorr；激光能量～350mJ；激光脉冲频率为10Hz；沉积速率1～5nm/分钟。优选的，所述步骤(4)的具体工艺参数如下：反应室抽真空至≤1×10-6Pa；沉积温度300～400℃；沉积氧压为1～10mtorr；激光能量300～350mJ；激光脉冲频率为10Hz；沉积速率1～5nm/分钟。优选的，在所述步骤(6)中，退火的温度为300℃～400℃，在此温度下，可以较好地消除源电极和漏电极和有源层之间的缺陷。综上所述，相对于现有技术，本专利技术的有益效果为：第一、本专利技术制备的柔性铁电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性外延铁电栅薄膜晶体管，其特征在于，包括：云母柔性衬底；在所述衬底上形成的缓冲层；在所述缓冲层上形成的底栅电极；在所述底栅电极上形成的外延铁电薄膜层；在所述外延铁电薄膜层上形成的沟道层；在所述沟道层上形成的源电极；以及在所述沟道层上且同所述源电极分离形成的漏电极。

【技术特征摘要】
1.一种柔性外延铁电栅薄膜晶体管，其特征在于，包括：云母柔性衬底；在所述衬底上形成的缓冲层；在所述缓冲层上形成的底栅电极；在所述底栅电极上形成的外延铁电薄膜层；在所述外延铁电薄膜层上形成的沟道层；在所述沟道层上形成的源电极；以及在所述沟道层上且同所述源电极分离形成的漏电极。2.根据权利要求1所述的柔性外延铁电栅薄膜晶体管，其特征在于，所述外延铁电薄膜层为Pb(Zr0.1Ti0.9)O3、Pb(Zr0.2Ti0.8)O3、Pb(Zr0.3Ti0.7)O3和Pb(Zr0.52Ti0.48)O3四种外延薄膜的至少一种。3.根据权利要求1所述的柔性外延铁电栅薄膜晶体管，其特征在于，所述底栅电极为SrRuO3外延薄膜，所述沟道层为ZnO外延薄膜。4.根据权利要求1所述的柔性外延铁电栅薄膜晶体管，其特征在于，所述底栅电极的厚度为15～40nm；所述外延铁电薄膜层的厚度为120～180nm；所述沟道层的厚度为40～70nm。5.一种如权利要求1～4任一项所述的柔性外延铁电栅薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)选择光滑无裂纹的天然云母片，然后用双面胶将其贴在操作台上，用尖头镊子逐层剥离云母，直到云母片的厚度小于30μm；(2)在步骤(1)中的云母衬底上淀积CoFe2O4薄膜得到缓冲层；(3)在步骤(2)中的缓冲层上进行外延生长SrRuO3薄膜，得到底栅电极；(4)在步骤(3)中的底栅电极进行外延生长锆钛酸铅材料薄膜，得到铁电薄膜层；(5)在步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟向丽，任传来，谭丛兵，王金斌，李波，郭红霞，宋宏甲，廖敏，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43