薄膜晶体管及其制备方法与流程

本发明涉及电子材料与元器件领域，具体涉及一种薄膜晶体管及其制备方法。

背景技术：

薄膜晶体管是由沉积在衬底上的导电层、有源层、绝缘层等薄膜构成，是为适应全膜化薄膜集成电路的需要而发展起来的，它被广泛应用在平板显示器、薄膜集成电路、光电图像传感器、薄膜存储器和气敏传感器等领域。近十几年以来，以氧化物为有源层的薄膜晶体管具有较高的场效应迁移率、较小的亚阈值摆幅、较大的开关比、较好的透明性、可低温制备以及与硅基工艺基本兼容等诸多优点而备受关注。

目前，薄膜晶体管常用的绝缘层材料有氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化锆等薄膜。这些绝缘薄膜的厚度在几十纳米到几百纳米范围，通常是采用化学气相沉积、射频磁控溅射、原子层沉积或化学溶液等薄膜制备技术完成，该过程对技术工艺要求严格，大大增加了薄膜晶体管的成本。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种结构合理、工艺简单、原料易得、制备成本低廉的薄膜晶体管及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种薄膜晶体管，它包括分别作为源极和漏极的源漏电极层，作为栅极的导电薄膜层，作为有源层的金属氧化物半导体薄膜层，以及设置在所述导电薄膜层和所述金属氧化物半导体薄膜层之间的同时充当绝缘层和衬底层的绝缘衬底层。

基于上述，所述绝缘衬底层为玻璃、塑料或纸张，且所述绝缘衬底层的厚度为10 微米～1000 微米。

基于上述，所述金属氧化物半导体薄膜层的外侧表面或内部设置所述源漏电极层。

基于上述，所述源漏电极层设置在所述金属氧化物半导体薄膜层的外侧表面，构成所述金属氧化物半导体薄膜层夹持在所述源漏电极层和所述绝缘衬底层之间的三层夹心结构。

基于上述，所述源漏电极层设置在所述金属氧化物半导体薄膜层的内部，且所述源漏电极层与所述绝缘衬底层接触设置。

基于上述，作为有源层的所述金属氧化物半导体薄膜层为厚度30 nm～50 nm的ZnO薄膜、InZnO薄膜、InGaZnO薄膜或ZnSnO薄膜；分别作为源极和漏极的所述源漏电极层为铝薄膜；作为栅极的所述导电薄膜层为厚度50 nm～80 nm的ITO导电薄膜层。

本发明还提供一种制备上述薄膜晶体管的方法，它包括在绝缘衬底层一侧制备导电薄膜层作为栅电极；在所述绝缘衬底层的另一侧分别制备作为有源层的金属氧化物半导体薄膜层和作为源极和漏极的源漏电极层。

基于上述，所述薄膜晶体管的制备方法具体包括以下步骤：

在低压高纯氩气条件下，利用射频磁控溅射法在所述绝缘衬底层一侧表面制备厚度为50 nm～80 nm的所述导电薄膜层作为栅电极；

分别利用脉冲激光沉积法和热蒸发镀膜法在所述绝缘衬底层的另一侧表面制备厚度为30 nm～50 nm的作为有源层的所述金属氧化物半导体薄膜层和厚度为30 nm～40 nm的作为源极和漏极的所述源漏电极层。

基于上述，在所述绝缘衬底层的另一侧分别制备作为有源层的所述金属氧化物半导体薄膜层和作为源极和漏极的所述源漏电极的步骤包括：

首先利用脉冲激光沉积法在所述绝缘衬底层的另一侧表面制备所述金属氧化物半导体薄膜层作为有源层，然后利用热蒸发镀膜法在所述金属氧化物半导体薄膜层表面制备所述源漏电极层作为源极和漏极，从而使得所述源漏电极层设置在所述金属氧化物半导体薄膜层的外侧表面，构成所述金属氧化物半导体薄膜层夹持在所述源漏电极层和所述绝缘衬底层之间的三层夹心结构。

基于上述，在所述绝缘衬底层的另一侧分别制备作为有源层的所述金属氧化物半导体薄膜层和作为源极和漏极的所述源漏电极的步骤包括：

首先利用热蒸发镀膜法在所述绝缘衬底层的另一侧表面制备所述源漏电极层作为源极和漏极；然后利用脉冲激光沉积法在蒸镀有所述源漏电极层的所述绝缘衬底层一侧表面制备所述金属氧化物半导体薄膜层作为有源层，从而使得所述源漏电极层设置在所述金属氧化物半导体薄膜层的内部，且所述源漏电极层与所述绝缘衬底层接触设置。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明采用玻璃、塑料或纸张作为薄膜晶体管的绝缘衬底材料，所述绝缘衬底层同时起到了衬底和绝缘薄膜的作用，大大简化了薄膜晶体管的制备工艺，降低了技术成本。本发明还提供制备所述薄膜晶体管的方法，该方法工艺简单、成本低廉，在大面积电子电路中有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1中的结构示意图。

图2为实施例1制备的薄膜晶体管输出特性曲线图。

图3为实施例1制备的薄膜晶体管转移特性曲线图。

图4为本发明实施例2中的结构示意图。

图中：1、绝缘衬底层；2、ITO导电薄膜层；3、金属氧化物半导体薄膜层；4、源漏电极层。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种薄膜晶体管的制备方法，采用厚度为50微米的PET塑料为绝缘衬底层，该方法具体包括以下步骤：

（1）将PET绝缘衬底层清洗干净并将其放置到磁控溅射生长室内，在气体压力为5 Pa的低压高纯氩气条件下，利用射频磁控溅射法在所述PET绝缘衬底层一侧上制备厚度为60 nm的ITO导电薄膜层作为栅电极，其中，控制溅射功率为100 W。

（2）在气体压力为10 Pa的低压纯氧环境下，利用脉冲激光能量为100 mJ、脉冲激光频率为5 Hz的脉冲激光轰击高纯InGaZnO陶瓷靶材，产生的等离子羽辉沉积在所述PET绝缘衬底层另一侧上，形成厚度为35 nm的InGaZnO半导体薄膜层作为有源层薄膜。

（3）将带有源漏电极图形的金属掩膜固定在作为有源层的所述InGaZnO半导体薄膜层表面，并将其固定在热蒸发镀膜室，在真空压力小于1×10^-4 Pa条件下，利用热蒸发镀膜法在所述InGaZnO半导体薄膜层表面制备厚度为35 nm的铝薄膜作为晶体管源、漏电极层，其中，控制热蒸发镀膜技术的蒸发电流为53 A。

本实施例还提供一种由上述制备方法制得的薄膜晶体管，具体结构如图1所示，包括ITO导电薄膜层、InGaZnO半导体薄膜层，以及设置在所述ITO导电薄膜层和所述InGaZnO半导体薄膜层之间的PET绝缘衬底层，在所述InGaZnO半导体薄膜层的外侧表面还设置有分别作为源漏电极的铝薄膜层。

实验验证

用半导体特性测试仪测试了由本实施例所述的制备方法制得的InGaZnO薄膜晶体管的输出特性和转移特性，结果分别如图2和图3所示。其中，图2中横坐标漏电压和纵坐标漏电流分别指的是所述薄膜晶体管的源极和漏极之间的电压和电流，图3中触发电压是指晶体管栅极和源极之间的电压值。由图中可以看出器件工作在n沟道增强模式，有明显的场控电流效果。由于器件以塑料衬底为绝缘层，其厚度比传统的绝缘层薄膜还是大很多，导致有较高的驱动电压。本发明薄膜晶体管大大简化了制造工艺、在低成本大面积电子电路场合有广阔的应用前景。

实施例2

本实施例提供一种薄膜晶体管的制备方法，采用厚度为50微米的玻璃为绝缘衬底层，具体步制备骤与实施例1中的大致相同，不同之处在于：

在所述绝缘衬底层的另一侧表面制备所述金属氧化物半导体层薄膜层和所述源漏电极的步骤包括：

首先将带有源漏电极图形的金属掩膜固定在所述玻璃绝缘衬底层表面，并将其固定在热蒸发镀膜室，在真空压力小于1×10^-4 Pa条件下，利用热蒸发镀膜法在所述玻璃绝缘衬底层另一侧表面制备厚度为35 nm的铝薄膜作为晶体管源、漏电极层，其中，控制热蒸发镀膜技术的蒸发电流为53 A。

然后在气体压力为5 Pa～10 Pa的低压纯氧环境下，利用脉冲激光能量为100 mJ、脉冲激光频率为5 Hz的脉冲激光轰击高纯InZnO陶瓷靶材，产生的等离子羽辉沉积在带有所述源漏电极层的所述玻璃绝缘衬底层一侧的表面，形成厚度为35 nm的InZnO半导体薄膜层作为有源层。

本实施例还提供一种由上述制备方法制得的薄膜晶体管，具体结构如图4所示，包括ITO导电薄膜、InZnO半导体薄膜层，以及设置在所述ITO导电薄膜和所述InZnO半导体薄膜层之间的所述玻璃绝缘衬底层，在所述玻璃绝缘衬底层与所述InZnO半导体薄膜层之间还设置有作为源漏电极的铝薄膜层。

实施例3

本实施例提供一种薄膜晶体管的制备方法，采用厚度为75微米的纸张做为绝缘衬底，具体制备步骤与实施例1中的大致相同，不同之处在于：

所述绝缘衬底层的另一侧表面制备所述金属氧化物半导体层薄膜时，本实施例采用ZnO薄膜作为所述金属氧化物半导体层薄膜层。

本实施例提供的一种由上述制备方法制备的薄膜晶体管结构同实施例1中的结构。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。