本发明专利技术公开了一种柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管及其制备方法，柔性衬底为有机聚合物衬底，n型ZnAlSnO非晶氧化物薄膜为沟道层。制备步骤为：在有机衬底上生长AZO电极为栅极；再生长150~300 nm的Al2O3绝缘层；再生长非晶ZnAlSnO薄膜为沟道层；对上述薄膜进行后处理，再沉积AZO电极，为源极和漏极；最后，生长一层Al2O3薄膜进行封装，制备出n型非晶ZnAlSnO薄膜晶体管。上述各薄膜层的制备均采用磁控溅射方法实现。本发明专利技术制得的柔性n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管，具有全透明、迁移率高、不含有In元素、工艺简单、成本低等优点，可用于高端柔性显示屏生产。
【技术实现步骤摘要】
一种柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管及其制备方法
本专利技术涉及一种非晶氧化物半导体薄膜晶体管，尤其涉及一种n型柔性非晶氧化物半导体薄膜晶体管及其制备方法。
技术介绍
相对于传统电子，柔性电子具有更大的灵活性，能够在一定程度上适应不同的工作环境，柔性电子产品可满足客户对于设备的形变要求，是一种可穿戴和智能化的产品。但是，柔性电子产品有严苛的技术要求，生产相对更加困难，这制约了柔性电子的发展。首先，柔性电子在不损坏本身电子性能的基础上，须有良好的伸展性和弯曲性，这对电路的制作材料提出了新的挑战；其次，柔性电子的制备条件以及组成电路的各种电子器件的性能要求，相对于传统的电子器件来说，也是比较困难的，是其发展的一大难题。目前，柔性可穿戴电子产品的研究开发是国内外科研人员共同关注的领域，柔性薄膜晶体管（TFT）更是其中尤为关键的一种元器件。薄膜晶体管是微电子特别是显示工程领域的核心技术之一。目前，在平板显示、手机等领域，主要采用的是氢化非晶硅（a-Si:H）TFT，但是a-Si:HTFT自身存在很多缺点，如可见光不透明，光敏性强，而且显示屏的像素开口率低，迁移率低（<1cm2V-1S-1）,这些缺点直接限制了a-Si:HTFT的应用。对于大尺寸、高分辨率和高帧率的柔性显示屏，所需的TFT器件的迁移率要求比较高，对于柔性AMOLED，其驱动方式是电流模式，一般需要注入较大的电流才能驱动OLED，传统沟道材料的薄膜晶体管器件并不适用。为了解决上述问题，科研工作者开始着力研究新型氧化物半导体TFT。氧化物TFT具有沉积温度低、迁移率高、开启电压低、均匀性好并且容易制备等优点，能够极大地满足大面积显示驱动电路的要求。目前，研究最为广泛的TFT沟道层材料是非晶氧化物半导体，特别是非晶InGaZnO薄膜，而且有望走向实际应用。但是InGaZnO材料中含有In和Ga两种贵重金属，特别是In元素，铟是一种稀有贵重金属，地质储量非常少，有报道称15年左右将消耗殆尽，这不仅造成了其生产成本居高不下，而且也不利于可持续发展。本专利技术针对可穿戴柔性电子产品的应用需求，开发一种柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管及其制备方法，在保证柔性薄膜晶体管器件各方面性能的同时，并不含有In、Ga等元素，非常有利于实现产业化，并且大幅降低了成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种在柔性衬底上生长n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管及其制备方法，TFT器件具有全透明、高开关比、高场效应迁移率等优点。本专利技术的一种柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管，所述的非晶氧化物半导体薄膜晶体管，依次包括有机柔性衬底、ZnO:Al（AZO）栅极、Al2O3绝缘层、非晶ZnAlSnO沟道层、AZO源极、AZO漏极和Al2O3封装层，全部采用含有Al元素的氧化物薄膜来制备各功能层，且上述薄膜在室温下的禁带宽度均大于3.35eV，在可见光区域是透明的。优选地，非晶ZnAlSnO化学式为Zn4Al7-xSnxO0.5x+14.5，其中5.6≦x≦6.5，为n型导电的半导体，非晶ZnAlSnO薄膜厚度20~30nm，以非晶ZnAlSnO为沟道层制作n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管。优选地，AZO薄膜中Al掺杂含量为2~5at.%，AZO薄膜为透明导电薄膜，厚度80~100nm，作为栅极、源极和漏极；作为绝缘层的Al2O3薄膜厚度150~300nm；作为封装层的Al2O3薄膜厚度30~100nm。优选地，所述的柔性衬底为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）和聚酰亚胺（PI）等有机聚合物衬底。本专利技术还提供了制备上述柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管的方法，所有功能层薄膜均采用磁控溅射方法制备，具体包括如下步骤：1）将称量好的ZnO、Al2O3、SnO2粉末加入有玛瑙珠的球磨罐中，加入酒精作为介质在球磨机上球磨，将球磨后的浆料经过滤后放置于干燥箱干燥，将干燥后所得的干燥粉末在研钵中研磨并过滤，采用热压烧结制备成3英寸的ZnAlSnO陶瓷靶材。2）将有机柔性衬底，按丙酮、乙醇、去离子水、乙醇的顺序依次超声清洗40分钟，将清洗后的衬底固定栅极掩膜板。3）采用磁控溅射方法，以AZO陶瓷片为靶材，在有机柔性衬底上沉积一层AZO薄膜，沉积条件为：衬底和靶材的距离为100mm，生长室抽至真空度在1.0×10-3mTorr以上，生长室通入Ar和O2，Ar和O2的流量比为100:6，溅射压强控制为3.7mTorr，调节溅射功率为150W，室温生长，溅射时间为10min。4）去除栅极掩膜板，固定绝缘层掩膜板。采用磁控溅射方法，以Al2O3陶瓷片作为靶材，在3）中样品上沉积一层Al2O3薄膜，沉积条件为：衬底和靶材的距离为100mm，生长室抽至真空度在1.0×10-3mTorr以上，生长室通入Ar和O2，Ar和O2的流量比为100:15，溅射压强控制为0.2mTorr，调节溅射功率为110W，150℃生长，溅射时间为25min。5）待步骤4）中样品恢复室温，去除绝缘层掩膜板，固定有源层掩膜板，采用磁控溅射方法，以步骤1）的ZnAlSnO陶瓷片作为靶材，在步骤4）所得样品上沉积一层ZnAlSnO薄膜，沉积条件为：衬底和靶材的距离为100mm，生长室抽至真空度在1.0×10-3mTorr以上，生长室通入Ar和O2，Ar和O2的流量比为100:40，溅射压强控制为7.52mTorr，调节溅射功率为120W，室温生长，溅射时间为9min。6）去除有源层掩膜板，采用Ar等离子体处理步骤5）所得样品，条件为：在150℃下，生长室通入Ar，生长室真空度为12mTorr，功率为45W，等离子处理时间为20min，生长室通入Ar-O2混合气，比例为100:35，生长室真空度为12mTorr，功率为20W，等离子体处理30min。7）固定源漏电极掩膜板，采用磁控溅射方法，以步骤3）中的AZO靶作为靶材，在步骤6）所得样品上沉积AZO电极，沉积条件为：衬底和靶材的距离为100mm，生长室抽至真空度在1.0×10-3mTorr以上，生长室通入Ar和O2，Ar和O2的流量比为100:6，溅射压强控制为3.7mTorr，调节溅射功率为150W，室温生长，溅射时间为10min。8）去除源漏极掩膜板，固定封装掩膜板，采用磁控溅射方法，以步骤4）中Al2O3靶作为靶材，在步骤7）所得样品上沉积Al2O3薄膜，沉积条件为：衬底和靶材的距离为100mm，生长室抽至真空度在1.0×10-3mTorr以上，生长室通入Ar和O2，Ar和O2的流量比为100:15，溅射压强控制为0.2mTorr，调节溅射功率为110W，150℃生长，溅射时间为15min。根据上述方案制备的柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管，具有下述性能特征：薄膜晶体管沟道层导电类型为n型，场效应迁移率大于8.1cm2/Vs，TFT器件透过率>90%，器件弯曲1000次后性能依然保持不变。非晶氧化物半导体薄膜晶体管的基本组成单元包括：衬底、栅极、绝缘层、沟道层、源极、漏极和封装层。（1）衬底包括无机硬质衬底和有机柔性衬底，为了提高TFT器件性能，通常需要在一定的加热温度下生长各层薄膜，因而本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管，其特征在于，所述的非晶氧化物半导体薄膜晶体管，依次包括有机柔性衬底（1）、AZO栅极（2）、Al2O3绝缘层（3）、非晶ZnAlSnO沟道层（4）、AZO源极（5）、AZO漏极（6）和Al2O3封装层（7），各功能层均为含有Al元素的氧化物薄膜，且各功能层薄膜在室温下的禁带宽度均大于3.35 eV，在可见光区域是透明的；其中所述的各功能层包括绝缘层、栅极、沟道层、源极、漏极以及封装层。
【技术特征摘要】
1.一种柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管，其特征在于，所述的非晶氧化物半导体薄膜晶体管，依次包括有机柔性衬底（1）、AZO栅极（2）、Al2O3绝缘层（3）、非晶ZnAlSnO沟道层（4）、AZO源极（5）、AZO漏极（6）和Al2O3封装层（7），各功能层均为含有Al元素的氧化物薄膜，且各功能层薄膜在室温下的禁带宽度均大于3.35eV，在可见光区域是透明的；其中所述的各功能层包括绝缘层、栅极、沟道层、源极、漏极以及封装层。2.根据权利要求1所述的一种柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管，其特征在于，所述非晶ZnAlSnO的化学式为Zn4Al7-xSnxO0.5x+14.5，其中5.6≦x≦6.5，为n型导电的半导体，非晶ZnAlSnO沟道层薄膜厚度20~30nm。3.根据权利要求1所述的一种柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管，其特征在于，所述AZO中Al掺杂含量为2~5at.%，AZO薄膜为透明导电薄膜，厚度80~100nm，作为栅极、源极和漏极；所述Al2O3绝缘层的薄膜厚度150~300nm；所述Al2O3封装层的薄膜厚度30~100nm。4.根据权利要求1所述的一种柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管，其特征在于，所述的有机柔性衬底为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯）和聚酰亚胺中的一种。5.根据权利要求1所述的一种柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管，其特征在于，所述薄膜晶体管的场效应迁移率大于8.1cm2/Vs，TFT器件透过率>90%。6.制备权利要求1~5任一项所述的一种柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管的方法，其特征在于，各功能层薄膜均采用磁控溅射方法制备，包括如下步骤：1）将称量好的ZnO、Al2O3、SnO2粉末球磨，将球磨后的浆料经过滤后于干燥箱干燥，将干燥后所得的干燥粉末研磨并过滤，采用热压烧结制备成ZnAlSnO陶瓷靶材；2）将有机柔性衬底，按丙酮、乙醇、去离子水、乙醇的顺序依次超声清洗，将清洗后的衬底固定栅极掩膜板；3）采用磁控溅射方法，以AZO陶瓷片为靶材，在有机柔性衬底上沉积一层AZO薄膜，沉积条件为：衬底和靶材的距离为100mm，生长室抽至真空度在1.0×10-3mTorr以上，生长...
【专利技术属性】
技术研发人员：吕建国，吕容恺，李思嵚，叶志镇，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33
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