一种全透明柔性非晶氧化物半导体薄膜晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术的全透明柔性非晶氧化物半导体薄膜晶体管，以透明的有机聚合物为衬底，衬底保护与气体阻隔层为Al

A transparent and flexible amorphous oxide semiconductor thin film transistor and its preparation method

The transparent flexible amorphous oxide semiconductor thin film transistor of the invention takes transparent organic polymer as the substrate, and the substrate protection and gas barrier layer are al

【技术实现步骤摘要】
一种全透明柔性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，尤其涉及一种全透明柔性非晶氧化物半导体薄膜晶体管。。
技术介绍
随着信息技术的发展，人们对显示产品的要求越来越高，全透明柔性显示被认为是未来的一种新型显示技术，具有可穿戴、便携化和智能化的特点。在显示器件中，薄膜晶体管（TFT）是其核心部件之一。目前，全透明柔性TFT已成为一个国内外学术界和产业界都争相研发的热点方向。除透明和可挠曲特性外，全透明柔性TFT还具有轻、薄、耐冲击、大面积等方面的优势，在大面积平板显示、有源矩阵有机发光二极管（AMOLED）、电子纸等领域有广泛的应用前景。目前，商业上广泛应用的是Si基TFT，但Si是窄禁带半导体，对可见光是不透明的，而且难以低温沉积，不适用于有机柔性衬底。因而，传统的Si基TFT已不再适用于制备全透明柔性器件。为此，宽禁带氧化物半导体TFT进入人们的研究视野，并日益受到关注。与Si基TFT不同，氧化物TFT具有如下优点：可见光透明，光敏退化性小，不用加掩膜层，提高了开口率，可解决开口率低对高分辨率、超精细显示屏的限制；易于室温沉积，适用于有机柔性基板；迁移率较高，可实现高的开/关电流比，较快的器件响应速度，应用于高驱动电流和高速器件；特性不均较小，电流的时间变化也较小，可抑制面板的显示不均现象，适于大面积化用途。在氧化物半导体TFT领域，人们最早研究的是ZnOTFT。ZnO可在室温下沉积生成多晶薄膜，迁移率高，器件性能较好，但是多晶态的ZnO晶粒尺寸较大，难以细化，存在大量晶界，表面粗糙度较大，造成器件成品率较低。为此，人们开发了以InGaZnO为代表的非晶氧化物TFT，Zn为基体元素，In可形成电子传输的通道，Ga为电子浓度控制元素，目前InGaZnOTFT研究最为广泛。随着研发的持续开展，人们又开发了ZnAlSnO为代表的非晶氧化物TFT，Zn为基体元素，Sn可形成电子传输的通道，Al为电子浓度控制元素。目前，非晶氧化物半导体（AOS）材料主要是InZnO基（InGaZnO为代表）和ZnSnO基（ZnAlSnO为代表）两种体系的材料，人们对此的研究也已很多，但大多基于硬质衬底在一定的加热温度下制备，而且使用的是金属电极，所得到的也并非全透明TFT。因而，如何制备高性能的全透明柔性AOSTFT依然是一个尚未解决的科技难题。主要存在三方面的问题需要解决：其一，如何选择电极、沟道层与绝缘层材料，实现各层材料彼此的有效匹配，而且是全透明的；其二，如何使沉积的各层薄膜与有机衬底有很强的附着力，而且具有良好的弯曲稳定性；其三，采取何种工艺能有效提高器件性能，且与有机柔性衬底相兼容。若想制备得到高器件性能的AOSTFT，上述三方面的问题必须得到解决，而且技术方案还必须具备批量化生产和产业化能力。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述科技难题，提供一种全透明柔性非晶氧化物半导体薄膜晶体管及其制备方法。本专利技术提供了一种全透明柔性非晶氧化物半导体薄膜晶体管，以透明的有机聚合物为衬底，衬底保护与气体阻隔层为Al2O3薄膜，栅极绝缘层为Al2O3-ZrO2复合薄膜，栅极、源极和漏极为Al掺杂ZnO（AZO）薄膜，沟道层为ZnAlMO（其中M为金属元素）薄膜，封装层为Al2O3薄膜，除衬底外，各层材料均为含有Al元素的氧化物薄膜，且其禁带宽度均大于3.35eV，在可见光区域是透明的。优选地，ZnAlMO薄膜，M为In，因而沟道层薄膜为ZnAlInO。优选地，ZnAlMO薄膜，M为Sn，因而沟道层薄膜为ZnAlSnO。本专利技术还提供了上述全透明柔性非晶氧化物半导体薄膜晶体管的制备方法，包括下述步骤：（1）将有机聚合物衬底置于Ar-N2的混合等离子体气氛中，衬底的正反两面采用等离子体轰击10~15min，使其表面均形成均匀的凹凸起伏的绒面结构；（2）将上述经等离子体处理的有机聚合物衬底置于N2-O2混合气氛下，以5℃/min的升温速率加热到60~80℃，保温20~30分钟，然后在该加热温度下在衬底的正反两面沉积相同厚度的Al2O3薄膜，为衬底保护与气体阻隔层，沉积完成后，自然冷却至室温；（3）在上述沉积有Al2O3薄膜的衬底上，在其正面沉积各功能层薄膜，包括栅极AZO薄膜，栅极绝缘层Al2O3-ZrO2复合薄膜，沟道层ZnAlMO（M=In或Sn）薄膜，源极和漏极AZO薄膜，封装层Al2O3薄膜，上述各薄膜层均在低于60℃的温度下沉积，制得AOSTFT器件；（4）采用脉冲激光加热技术，在Ar气氛下，对上述AOSTFT器件进行整体退火处理，激光束斑直径可恰好覆盖单个TFT器件，激光功率10~50mJ/cm2，照射时间10~20ns，脉冲次数1次，在退火过程中，利用Al元素的界面扩散来提升各层之间的界面匹配和结合强度，从而得到高性能的AOSTFT器件。本专利技术的全透明柔性非晶氧化物半导体薄膜晶体管，具有下述性能指标：开关电流比大于107，场效应迁移率大于50cm2/Vs，阈值电压0.1~0.9V，亚阈值摆幅小于0.3V/decade；TFT器件的可见光透过率大于91%，弯曲5000次后性能基本保持不变。非晶氧化物薄膜晶体管的基本组成单元包括：衬底、沟道层、绝缘层、栅极、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，因而大多使用的是无机硬质衬底，有机柔性衬底应用相对很少。（2）在各层薄膜中，沟道层薄膜占据最为重要的地位，比如InGaZnO、ZnAlSnO等非晶氧化物半导体薄膜，通常在300-500℃下生长性能最好，而这些不适合于有机柔性衬底，以有机聚合物为衬底需要低温沉积，特别是，若能在室温下制备出性能优异的沟道层薄膜，则是一个巨大的突破，但是室温生长的非晶氧化物薄膜通常性能较差，难以满足TFT器件性能的要求。（3）绝缘层材料可包括SiO2、Si3N4、HfO2、ZrO2、Al2O3，通常采用的是SiO2和Si3N4薄膜，Al2O3、ZrO2薄膜也可用于绝缘层，但基本都是采用原子层沉积（ALD）生长的，磁控溅射生长的Al2O3、ZrO2薄膜用于绝缘层的还很少，这主要是通常情况下磁控溅射生长的Al2O3、ZrO2薄膜不够致密，磁控溅射低温生长的Al2O3、ZrO2薄膜质量会更差一些，Al2O3-ZrO2复合薄膜用于绝缘层也很少有人研发。（4）栅极、源极和漏极通常采用金属电极，如Au、Ag、Al等，也有报道以透明导电ITO薄膜为栅极、源极或漏极的，AZO是新开发的一种透明导电氧化物材料，在某些学术论文中也有以AZO为电极的报道，但无论ITO还是AZO，都只是用于栅极，或者只是用于源极和漏极，特别是AZO薄膜，虽然AZO价格明显低于ITO，但AZO导电性能劣于ITO薄膜，至今为止几乎没有将AZO薄膜同时用于栅极、源极和漏极的先例。（5）封装层，目前的封装层大多为SiO2薄膜，Al2O3用于封装层材料的还不多。上述材料，单独任一种材料的性能均不占优势，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全透明柔性非晶氧化物半导体薄膜晶体管，其特征在于，所述全透明柔性非晶氧化物半导体薄膜晶体管依次包括衬底、覆盖于衬底正反面的衬底保护与气体阻隔层、栅极、栅极绝缘层、沟道层、源极和漏极、封装层；其中以透明有机聚合物为衬底，衬底保护与气体阻隔层为Al

【技术特征摘要】
1.一种全透明柔性非晶氧化物半导体薄膜晶体管，其特征在于，所述全透明柔性非晶氧化物半导体薄膜晶体管依次包括衬底、覆盖于衬底正反面的衬底保护与气体阻隔层、栅极、栅极绝缘层、沟道层、源极和漏极、封装层；其中以透明有机聚合物为衬底，衬底保护与气体阻隔层为Al2O3薄膜，栅极绝缘层为Al2O3-ZrO2复合薄膜，栅极、源极和漏极为Al掺杂ZnO薄膜，沟道层为ZnAlMO薄膜，其中M为金属元素；封装层为Al2O3薄膜；除衬底外，各层材料均为含有Al元素的氧化物薄膜，且禁带宽度均大于3.35eV，在可见光区域是透明的。


2.根据权利要求1所述的一种全透明柔性非晶氧化物半导体薄膜晶体管，其特征在于，所述ZnAlMO为ZnAlInO或ZnAlSnO。


3.根据权利要求1所述的一种全透明柔性非晶氧化物半导体薄膜晶体管，其特征在于，所述薄膜晶体管的开关电流比大于107，场效应迁移率大于50cm2/Vs，阈值电压0.1~0.9V，亚阈值摆幅小于0.3V/decade；TFT器件的可见光透过率大于91%。


4.制备权利要求1~3任一项所述的一种全透明柔性非晶氧化物...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕建国，陆波静，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33