基于有机绝缘层的梯度掺杂IGZO薄膜晶体管及其制备方法与流程

本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种基于有机绝缘层的梯度掺杂igzo薄膜晶体管及其制备方法。

背景技术：

平板显示器(fpd)逐渐替代阴极射线显示器(crt)，并已经在显示行业中占主导地位。而薄膜晶体管作为平板显示器的驱动电路的开关原件，它的性能直接决定着显示器质量的优劣。在普通的有源驱动液晶显示器中，一般采用氢化非晶硅薄膜晶体管，但是由于其具有不透明、受可见光影响较大及载流子迁移率低等缺点，限制了其进一步发展。最近几年由于有机发光二极管(amoled)显示技术发展要求，传统的氢化非晶硅已经远远达不到有源驱动的要求。

新材料igzo的问世很好得解决了传统氢化非晶硅的缺点。但由于igzo属于无机半导体材料，实践表明，这种igzo半导体沉积在无机绝缘层(比如sio2，si3n4等)能获得非常好的器件性能。由于这类无机绝缘层不透明、沉积成本比较高、柔韧性差的特点，因此它们在柔性显示和透明穿戴设备领域的发展欠佳。而利用透明的有机绝缘层则能很好的解决这一问题，不仅可以得到柔性透明器件，而且通过旋涂有机绝缘层的方法大大降低了制作成本。但是由于igzo半导体和有机绝缘层的晶格不匹配，绝缘层和半导体层表面出现很多缺陷，后续直流磁控溅射igzo薄膜对有机绝缘层的破坏，从而导致漏电流比较大。

技术实现要素：

本发明的目的在于：为解决igzo半导体和有机绝缘层的晶格不匹配，从而导致后续直流磁控溅射igzo薄膜对有机绝缘层的破坏，漏电流比较大的问题，本发明提供了一种基于有机绝缘层的梯度掺杂活性层igzo的薄膜晶体管的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于有机绝缘层的梯度掺杂igzo薄膜晶体管，包括从下至上依次排列的衬底、栅电极、有机绝缘层、梯度掺杂igzo半导体层，梯度掺杂igzo半导体层上并列设有源电极和漏电极，其中，梯度掺杂igzo半导体层包括浓度依次增大的最下层igzo薄膜、最上层igzo薄膜、中间层igzo薄膜。

进一步地，所述梯度掺杂igzo半导体层的最下层igzo薄膜的氧分压(o2流量/ar流量)为5％-8％，厚度为1～3nm；中间层igzo薄膜的氧分压为0％-2％，厚度在2～4nm；最上层igzo薄膜的氧分压为2％-3％，厚度为30～60nm。

优选地，所述衬底的材料为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯或玻璃基板中的一种。

优选地，所述栅电极为氧化铟锡，栅电极的厚度为150～250nm。

优选地，所述有机绝缘层的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚碳酸酯、聚苯乙烯中的一种，厚度为100～360nm。

优选地，所述源电极和所述漏电极的材料均为氧化铟锡、氧化锌、铟镓锌氧化物、石墨烯、金属单质银、铝、金中的一种，源电极和所述漏电极的厚度均为100～200nm。

另一方面，本发明提供一种基于有机绝缘层的梯度掺杂igzo薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：

s1：制备清洗衬底；先用丙酮擦拭衬底表面大的颗粒，然后用弱碱水、丙酮、去离子水、乙醇或异丙醇分别对玻璃衬底进行超声清洗，最后用氮气(纯度>99.99％)将衬底吹干；

s2：制备栅电极；通过磁控溅射法在s1制备的衬底的表面制备氧化铟锡栅电极；

s3：制备有机绝缘层；通过旋涂的方法在s2制备好的氧化铟锡栅电极上面制备有机绝缘层，然后进行热退火；

s4：制备梯度掺杂igzo层；采用直流磁控溅射的igzo靶材来制备；制备最下层igzo薄膜时的溅射功率为80～100w；制备中间层igzo薄膜时溅射功率为80～100w；制备最上层igzo薄膜时的溅射功率为150～250w，在制备每一处时，ar流量保持在100sccm，腔体压强保持在3mtorr。

s5：制备源电极和漏电极：将s4处理后的晶体管放到金属真空腔中，对其进行退火处理，退火温度150℃，退火时间30分钟，再通过真空热蒸发、磁控溅射、电子束蒸发、丝网印刷、喷涂中的任意一种方法制备源电极和漏电极。

进一步地，s3中，有机绝缘层的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，制备时，先将聚甲基丙烯酸甲酯溶于苯甲醚中，聚甲基丙烯酸甲酯与苯甲醚的质量比为10％：90％，旋涂时的旋涂参数为：1800rpm，280nm；退火时的参数为：退火温度80℃，退火时间30分钟。

进一步地，，s3中，有机绝缘层的材料为聚乙烯醇，制备时，先将聚乙烯醇溶于去离子水中，聚乙烯醇与离子水的质量比10％：90％；旋涂时的旋涂参数为：2500rpm，300nm；退火时的退火温度120℃，退火时间30分钟。

优选地，s4中，igzo靶材的组分及其质量比为in2o3：ga2o3：zno＝1:1:2，纯度>99.9999％。

采用上述方案后，本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供了一种基于有机绝缘层的梯度掺杂igzo薄膜晶体管及其制备方法，通过在有机绝缘层上面沉积3层组分不同的igzo薄膜，从而来减少溅射过程中对有机绝缘层的破坏，最下层igzo薄膜采用较低的溅射功率80～100w，较高的氧分压5％-8％，来获得缺陷较少，表面相对平整的缓冲层，即降低了半导体层与有机绝缘层的界面缺陷，这层最优厚度在1～3nm；中间层igzo薄膜采用较低的溅射功率80～100w，较低的氧分压0％-2％，来获得高导电率的沟道，有利于电子的传输，这层最优厚度在2～4nm；最上层igzo薄膜采用较高的溅射功率150～250w，氧分压处于2％-3％，通过调控这层的厚度来精确调控梯度掺杂igzo半导体层的载流子浓度，这层厚度可以在30～60nm之类调控，所得器件性能的开关比最大达到6.2×104，载流子迁移率最大达到4.6cm²v^-1s^-1，通过后续热退火处理可以进一步降低活性层的缺陷。

(2)该器件采用的有机绝缘层也具有良好的可降解性，能够在一定程度上解决电子垃圾所带来的生物污染，在柔性和透明显示领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的基于有机绝缘层的梯度掺杂igzo薄膜晶体管的结构示意图；

图2为本发明基于有机绝缘层的梯度掺杂igzo薄膜晶体管实例1的转移特性曲线；

图3为本发明基于有机绝缘层的梯度掺杂igzo薄膜晶体管实例2的转移特性曲线；

图中标记：1-衬底，2-栅电极，3-有机绝缘层，4-梯度掺杂igzo半导体层，41-最下层igzo薄膜，42-中间层igzo薄膜，43-最上层igzo薄膜，5-源电极，6-漏电极。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的实施例给出详细的说明。尽管本发明将结合一些具体实施方式进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反，对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

实施例1

一种基于有机绝缘层的梯度掺杂igzo薄膜晶体管，其特征在于，包括从下至上依次排列的衬底1、栅电极2、有机绝缘层3、梯度掺杂igzo半导体层4，梯度掺杂igzo半导体层4上并列设有源电极5和漏电极6，其中，梯度掺杂igzo半导体层3包括浓度依次增大的最下层igzo薄膜41、最上层igzo薄膜43、中间层igzo薄膜42。

具体地，衬底1的材料为玻璃；栅电极2的材料为氧化铟锡，栅电极2的厚度为200nm；有机绝缘层3的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，厚度为200nm；梯度掺杂igzo半导体层4中，最下层igzo薄膜41的氧分压为5％，厚度为2nm，中间层igzo薄膜42的氧分压为1％，厚度为3nm，最上层igzo薄膜43的氧分压在2％，厚度为50nm；源电极5和漏电极6的材料均为金属单质银，厚度均为150nm。在制备igzo薄膜半导体层时，氧分压的不同会直接导致每一层的掺杂浓度不同。

上述基于有机绝缘层的梯度掺杂igzo薄膜晶体管的制备方法包括如下步骤：

s1：ito玻璃基片的清洗,ito玻璃基片为衬底1；先用无尘布沾上丙酮擦拭玻璃基片表面去除大颗粒的污渍和灰尘，然后分别将擦拭后的玻璃基片放在聚四氟乙烯基片架上，对其分别加入丙酮、去离子水、异丙醇进行超声清洗，每次超声清洗的时间为15分钟，最后用氮气(纯度>99.99％)将衬底吹干。

s2：制备栅电极2；通过磁控溅射法在s1制备的衬底1的表面制备氧化铟锡栅电极2；

s3：制备有机绝缘层3，材料为聚甲基丙烯酸甲酯；将有机绝缘材料聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)溶于苯甲醚中，质量比10％：90％，将混合后的溶液放在磁力搅拌器中搅拌24小时后通过旋涂的方法进行制备，旋涂转速为：1800rpm，旋涂时间为：1分钟，退火温度80℃，退火时间30分钟。

s4：制备梯度掺杂igzo层4；采用直流磁控溅射的igzo靶材来制备；制备最下层igzo薄膜41时的溅射功率为80w；制备中间层igzo薄膜42时溅射功率为100w；制备最上层igzo薄膜43时的溅射功率为250w，在制备每一层时，ar流量保持在100sccm，腔体压强保持在3mtorr。

s5：制备源电极5和漏电极6：将s4处理后的晶体管放到金属真空腔中，对其进行退火处理，退火温度150℃，退火时间30分钟，再通过真空热蒸发法、制备源电极5和漏电极6。

如图2所示，采用上述方法制备的基于有机绝缘层的梯度掺杂igzo薄膜晶体管测试的性能如下：载流子迁移率μ＝2.5cm2v-1s-1，开关比为6.2×104，可见，器件性能较为稳定。

实施例2

一种基于有机绝缘层的梯度掺杂igzo薄膜晶体管，其特征在于，包括从下至上依次排列的衬底1、栅电极2、有机绝缘层3、梯度掺杂igzo半导体层4，梯度掺杂igzo半导体层4上并列设有源电极5和漏电极6，其中，梯度掺杂igzo半导体层3包括浓度依次增大的最下层igzo薄膜41、最上层igzo薄膜43、中间层igzo薄膜42。

具体地，衬底1的材料为玻璃；栅电极2的材料为氧化铟锡，栅电极2的厚度为200nm；有机绝缘层3的材料为聚乙烯醇，厚度为200nm；梯度掺杂igzo半导体层4中，最下层igzo薄膜41的氧分压为4％，厚度为2nm，中间层igzo薄膜42的氧分压为0％，厚度为3nm，最上层igzo薄膜43的氧分压在2％，厚度为50nm；源电极5和漏电极6的材料均为金属单质银，厚度均为150nm。

上述基于有机绝缘层的梯度掺杂igzo薄膜晶体管的制备方法包括如下步骤：

s1：ito玻璃基片的清洗,ito玻璃基片为衬底1；先用无尘布沾上丙酮擦拭玻璃基片表面去除大颗粒的污渍和灰尘，然后分别将擦拭后的玻璃基片放在聚四氟乙烯基片架上，对其分别加入丙酮、去离子水、异丙醇进行超声清洗，每次超声清洗的时间为15分钟，最后用氮气(纯度>99.99％)将衬底吹干。

s2：制备栅电极2；通过磁控溅射法在s1制备的衬底1的表面制备氧化铟锡栅电极2；

s3：制备有机绝缘层3，材料为聚甲基丙烯酸甲酯；将有机绝缘材料聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)溶于苯甲醚中，质量比10％：90％，将混合后的溶液放在磁力搅拌器中搅拌24小时后通过旋涂的方法进行制备，旋涂转速为：2500rpm，旋涂时间为：1分钟，退火温度120℃，退火时间30分钟。

s4：制备梯度掺杂igzo层4；采用直流磁控溅射的igzo靶材来制备；制备最下层igzo薄膜41时的溅射功率为80w；制备中间层igzo薄膜42时溅射功率为100w；制备最上层igzo薄膜43时的溅射功率为250w，在制备每一层时，ar流量保持在100sccm，腔体压强保持在3mtorr。

s5：制备源电极5和漏电极6：将s4处理后的晶体管放到金属真空腔中，对其进行退火处理，退火温度150℃，退火时间30分钟，再通过真空热蒸发法、制备源电极5和漏电极6。

如图3所示，采用上述方法制备的基于有机绝缘层的梯度掺杂igzo薄膜晶体管测试的性能如下：载流子迁移率μ＝4.6cm2v-1s-1，开关比为3×104，可见，器件性能较为稳定。

上文具体实施方式和附图仅为本发明之常用实施例。显然，在不脱离权利要求书所界定的本发明精神和发明范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则的前提下在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露之实施例仅用于说明而非限制，本发明之范围由后附权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前之描述。