基于PET柔性衬底的背栅黑磷场效应晶体管及制备方法与流程

技术领域

本发明涉及一种晶体管领域，特别是一种基于PET柔性衬底的背栅黑磷场效应晶体管及制备方法。

背景技术：

黑磷自被发现以来，以其优异的性能引起了研究者们的极大关注。尤其是高迁移率的特点使其成为射频器件的关键材料。众所周知，当二维黑磷材料厚度小于7.5nm时，其漏电流调制幅度为10⁵量级，I-V特征曲线展现出良好的电流饱和效应。晶体管电荷载流子迁移率还呈现出厚度依赖性，当二维黑磷厚度10nm时，获得最高的迁移率~1,000cm²V^-1s^-1，由此表明二维黑磷场效应晶体管具有极高的应用潜力，而常规的场效应晶体管大部分是基于硬质材料如单晶硅等，也有部分采用柔性效应晶体管的，但是存在步骤复杂，成本较高，难以实现柔性化电子器件的大批量、低成本的优势。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种基于PET柔性衬底的背栅黑磷场效应晶体管及制备方法。本发明不仅保证具有良好的输出特性的性能，而且工艺易于控制，成本低。

本发明的技术方案：基于PET柔性衬底的背栅黑磷场效应晶体管，其特征在于：包括依次设置的PET柔性衬底、Au栅电极、HfO₂绝缘层和黑磷薄片；黑磷薄片上设有Au漏电极和Au源电极，所述PET柔性衬底与Au栅电极之间设有PDMS层，Au栅电极与HfO₂绝缘层之间设有TiO₂缓冲层。

前述的基于PET柔性衬底的背栅黑磷场效应晶体管中，所述PDMS层的厚度为1-2μm。

前述的基于PET柔性衬底的背栅黑磷场效应晶体管中，所述Au栅电极的厚度为95-105 nm。

前述的基于PET柔性衬底的背栅黑磷场效应晶体管中，所述TiO₂缓冲层的厚度为1-2nm。

前述的基于PET柔性衬底的背栅黑磷场效应晶体管中，所述HfO₂绝缘层的厚度为28-32nm 。

前述的基于PET柔性衬底的背栅黑磷场效应晶体管的制备方法，其特征在于：按下述步骤进行：

A、用超声清洗PET柔性衬底上表面，在其上表面旋涂一层PDMS并加热以获得光滑表面；

B、用电子束蒸镀仪在光滑表面上蒸镀一层Au形成Au栅电极；

C、在Au栅电极上表面通过电子束蒸镀仪蒸镀一层Ti，然后放入烘干机通入O₂加热氧化以获得TiO₂缓冲层；

D、在TiO2缓冲层上表面通过采用原子层沉积方法获得一层HfO₂绝缘层；

E、通过机械剥离法获得黑磷薄片作为晶体管的半导体层，并转移到HfO₂绝缘层上表面上；

F、在黑磷薄片上打印两个Au电极作为Au源电极、Au漏电极。

与现有技术相比，本发明通过将黑鳞和PET柔性衬底这两种极具潜力的材料相结合，通过多种原料层的配合，综合体现出材料各自的优点并相互弥补不足。本发明具有良好的输出特性等性能，制备方法效率高，能避免蒸镀金属对二维材料的损伤，易于控制，工艺成熟，重复性好，且成本低，能实现大批量生产。

本发明的PET柔性衬底可用于柔性可穿戴设备上，因为PET衬底表面不平无法直接蒸镀Au做删电极，所以要旋涂一层PDMS，它有两个作用：1、作为过渡层获得平整的光滑表面；2、可以当粘附剂使Au与材料紧密贴合。由于Au栅电极密度大，不能直接在其上表面蒸镀HfO2，所以需要先在Au栅电极上表面蒸镀一层密度较小的Ti进行氧化生成TiO₂作为缓冲层，而且TiO₂的介电系数高是很合适的材料。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是基于PET柔性衬底的背栅黑磷场效应晶体管的柔性PET衬底；

图3是在PET柔性衬底上表面旋涂一层PDMS示意图；

图4是在PDMS的光滑上表面上蒸镀一层Au作为栅极示意图；

图5是在栅极上表面蒸镀一层Ti并通氧气加热氧化生成TiO₂示意图；

图6是在TiO₂上表面用原子层沉积技术沉积一层HfO₂作为绝缘层示意图；

图7是转移黑磷薄片作为半导体层示意图；

图8是在黑磷薄片上打印两个Au电极作为源电极、漏电极示意图。

附图中的标记为：1- PET柔性衬底，2- PDMS层，3- Au栅电极，4- TiO₂缓冲层，5- HfO₂绝缘层，6-黑磷薄片，7- Au漏电极，8- Au源电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例。基于PET柔性衬底的背栅黑磷场效应晶体管，构成如图1所示，包括依次设置的PET柔性衬底1、Au栅电极3、HfO₂绝缘层5和黑磷薄片6；黑磷薄片6上设有Au漏电极7和Au源电极8，所述PET柔性衬底1与Au栅电极3之间设有PDMS层2，Au栅电极3与HfO₂绝缘层5之间设有TiO₂缓冲层4。

所述PDMS层2的厚度为1-2μm。所述Au栅电极3的厚度为95-105 nm。所述TiO₂缓冲层4的厚度为1-2nm。所述HfO₂绝缘层5的厚度为28-32nm 。

所述的基于PET柔性衬底的背栅黑磷场效应晶体管的制备方法，按下述步骤进行：

A、用超声清洗PET柔性衬底上表面，在其上表面旋涂一层PDMS并加热以获得光滑表面；

B、用电子束蒸镀仪在光滑表面上蒸镀一层Au形成Au栅电极；

C、在Au栅电极上表面通过电子束蒸镀仪蒸镀一层Ti，然后放入烘干机通入O₂加热氧化以获得TiO₂缓冲层；

D、在TiO2缓冲层上表面通过采用原子层沉积方法获得一层HfO₂绝缘层；

E、通过机械剥离法获得黑磷薄片作为晶体管的半导体层，并转移到HfO₂绝缘层上表面上；

F、在黑磷薄片上打印两个Au电极作为Au源电极、Au漏电极。

HfO₂是晶体管的绝缘层，黑磷薄片是晶体管的半导体层。

如图2-8所示，具体可如下进行制备：

1、准备PET柔性衬底，用超声清洗干净；

2、在PET柔性衬底的洁净上表面上旋涂一层1-2μm厚的PDMS，并放在烘干机里在80°C下烘烤3小时以获得光滑上表面，如图3所示；

3、用电子束蒸镀仪在PDMS光滑上表面上蒸镀一层100 nm厚的Au作为栅电极，如图4所示；

4、用电子束蒸镀仪在Au层上表面蒸镀一层1-2nm厚的Ti，并放入烘干机通入O₂，在200℃下氧化1h形成TiO₂缓冲层，如图5所示；

5、用原子层沉积技术在TiO₂缓冲层的上表面沉积一层30nm厚的HfO₂作为晶体管绝缘层，如图6所示；

6、通过机械剥离法获得40-50nm厚的黑磷薄片，并转移至HfO₂绝缘层上，随后放入烘干机内，在90℃下烘烤1h再撕胶带以作为晶体管半导体层，如图7所示；

7、采用材料沉积喷墨打印系统在黑磷薄片上打印两个Au电极作为晶体管的漏电极和源电极，如图8所示。

使得基于PET柔性衬底的背栅黑磷场效应晶体管具有良好的输出特性等性能，能避免蒸镀金属对二维材料的损伤。