本发明属于电子材料及器件技术领域，涉及一种基于激光技术实现退火与刻蚀功能的柔性氧化物薄膜晶体管及其制备方法。
背景技术
薄膜晶体管(thinfilmtransistor，tft)作为一种重要的半导体器件，在可穿戴电子学器件、有源矩阵液晶显示以及微型传感器等领域有着广泛的应用价值，已成为当代微电子技术中不可缺少的组成部分。作为平板显示驱动的核心元件，其性能好坏决定显示的质量。薄膜晶体管器件，包括半导体导电沟道层、绝缘层、栅极和源漏电极等几个重要组成部分。tft－lcd中的tft一般是在玻璃或塑料等非单晶基板上制作大规模半导体集成电路，通过物理、化学沉积等成膜工艺形成制造集成电路必需的各种薄膜，通过对膜的加工进行电路的设计与制作。
近些年来，以氧化物半导体(oxidesemiconductor)为有源层的tft迅速引起了人们的广泛关注，并得到了突飞猛进的发展。主要原因是：氧化物tft具有高载流子迁移率，能很好满足有机发光二极管（oled）像素驱动技术的要求；此外，非晶态的氧化物tft具有良好的电学均一性，可以大面积制备；对可见光透明，提高显示器件的开口率，发送解析度。为满足卷对卷工艺和印刷技术要求，溶液法制备氧化物tft时，传统图形化工艺需要借助光刻胶、刻蚀液等材料，通过复杂的步骤实现器件的独立。此外，为实现前驱体到金属氧化物半导体的转变，高温热退火（350℃）往往是必不可少的。这些因素限制氧化物tft的制备与商业化，高温工艺更是阻碍其在柔性电子方面的进一步应用。随着电子产品柔性化的发展，tft作为主要功能元件也需要具备一定的柔性，这也就对其设计与加工提出了新的挑战。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种利用飞秒/皮秒激光技术实现柔性薄膜晶体管的制备方法，通过在柔性衬底上增加光学增反射膜层，在薄膜晶体管的有源层成膜后，利用飞秒/皮秒激光对有源层薄膜进行辐照退火，紧接着利用飞秒/皮秒激光聚焦光束对退火薄膜进行刻蚀消融，实现有源层的图形化。避免传统图形化工艺的光刻胶和刻蚀液对有源层的影响。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于激光技术的柔性薄膜晶体管，所述柔性薄膜晶体管为底栅顶接触结构，从下往上依次为基底、增反射膜层、栅极、绝缘层、有源层、源漏电极；所述增反射膜层为高低折射率材料重复层叠构成具有特殊结构和反射功能的介质层；对有源层进行激光辐照时，有源层底下的增反射膜层反射激光能量，使透过有源层的激光能量再次返回有源层，促进有源层向半导体性能转化，同时避免高能光子对柔性衬底的渗透损伤；所述柔性薄膜晶体管利用飞秒或皮秒激光对有源层进行退火或同步地刻蚀实现图形化，形成独立薄膜阵列；所述基底为柔性介质衬底，所述栅极为图形化薄膜，所述绝缘层为聚合物介质层，所述有源层为金属氧化物薄膜，所述源漏电极包括源极和漏极。
在本发明一实施例中，所述增反射膜层由两种或多种具有高折射率或低折射率介质交叠多层构成，满足一定波长范围内对入射激光具有增反射功能和阻隔水、汽、氧的影响的特殊结构膜层。
在本发明一实施例中，所述绝缘层由有机聚合物构成，厚度为400~800nm。
在本发明一实施例中，所述有源层为氧化锌基n型氧化物或p型氧化物，由一种或多种金属醇盐或无机盐溶液经水解直接形成溶胶或经解凝形成溶胶，然后是预退火聚合凝胶化溶质，再由凝胶干燥、去除有机成分，最后得到材料薄膜。
在本发明一实施例中，所述源漏电极通过热蒸发方式制作而成；所述源漏电极材料为金、银或铝；所述栅电极通过热蒸发方式制作而成；所述栅电极材料为金、银或铝。
在本发明一实施例中，所述绝缘层和有源层薄膜是通过旋涂、刮涂或喷墨打印的方式制备，所述有源层的厚度为10~30nm。
本发明还提供一种基于激光技术的柔性薄膜晶体管制备方法，其包括如下步骤，s1：把pet、pen或pi基底粘贴在硅片或玻璃上，并在pet、pen或pi基底上沉积增反射膜层；s2：用掩膜板蒸镀方法在增反射膜层上制作栅电极图案；s3：通过旋涂、刮涂或喷墨打印的方式在步骤s2所述的薄膜上制备有机绝缘层；s4：通过旋涂、刮涂或喷墨打印的方式在有机绝缘层上制备有源层氧化锌基n型氧化物或镍、锡、铜等p型氧化物；s5：利用激光对有源层进行辐射扫描退火；s6：利用激光加工平台对有源层进行刻蚀图形化；s7：采用热蒸发的方法在有源层上通过掩膜板蒸镀出源漏电极图案。
本发明还提供另一种基于激光技术的柔性薄膜晶体管制备方法，其包括如下步骤，
s1：把pet、pen或pi基底粘贴在硅片或玻璃上，并在pet、pen或pi基底上沉积增反射膜层；s2：用掩膜板蒸镀方法在增反射膜层上制作栅电极图案；s3：通过旋涂、刮涂或印刷的方式在步骤s2所述的薄膜上制备有机绝缘层；s4：通过旋涂、刮涂或印刷的方式在有机绝缘层上制备有源层氧化锌基n型氧化物或p型氧化物；s5：利用激光对有源层进行针对性区域辐照退火，使辐照区域前驱体转变为金属氧化物，而非辐照区域仍然绝缘，实现材料半导体功能区域的独立；s6：采用热蒸发的方法在有源层上通过掩膜板蒸镀出源漏电极图案。
在本发明一实施例中，所述增反射膜层的处理方式为：在柔性衬底上依次交替沉积一定厚度的高折射率介质和低折射率介质；每一层的厚度满足关系nhdh=nldl=λ0/4，其中，d为膜厚度，n是折射率，λ0为垂直入射激光波长。
在本发明一实施例中，所述有源层退火和图形化所用激光为飞秒或皮秒激光。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明制作的柔性薄膜晶体管，在普通晶体管结构上埋入增反射膜层。有源层和绝缘层均可采用卷对卷或印刷方式制备，工艺简单、快速，而金属氧化物有源层可以采用激光刻蚀独立和同时的辐照退火方式实现半导体功能，其操作快速准确，效率高，获得器件的尺寸较小，器件性能均匀性好，有利于节约成本及大面积生产。
附图说明
图1是本发明一种基于飞秒/皮秒激光技术的柔性氧化物薄膜晶体管及其制备方法中所采用的薄膜晶体管的结构示意图；其中，100为玻璃/硅片，110为柔性基底，120为增反射膜层，130为栅极，140为绝缘层，150为有源层，160为源漏电极。
图2(a)是本发明一种基于飞秒/皮秒激光技术的柔性氧化物薄膜晶体管及其制备方法中所采用的多层增反射膜层结构示意图。图2(b)为实施例1应用5层增反射膜层光学反射谱。
图3是本发明一种基于飞秒/皮秒激光技术的柔性氧化物薄膜晶体管及其制备方法中是否增加特殊功能增反射膜层结构实施例1（设计增反射膜层）与实施例2（未设计增反射膜层）制备的柔性薄膜晶体管的电学转移特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
如图1-3所示，本发明涉及的一种氧化物柔性薄膜晶体管，所述氧化物薄膜晶体管为底栅顶接触结构，从下往上依次为基底、增反射膜层、栅极、绝缘层、有源层、源漏电极，所述基底为pet/pi/pen等柔性介质衬底，所述增反射膜层为具有高低折射率的材料交叠构成，对辐照退火激光而言，介质增反射膜层具有光学增反膜功能，所述栅极为图形化铝/银/金薄膜，所述绝缘层为有机聚合物，所述有源层为金属氧化物薄膜氧化锌基等n型氧化物或镍、锡、铜等p型氧化物，所述源漏电极包括源极和漏极。
所述源漏电极通过热蒸发方式制作而成；源漏电极材料为金/银/铝。
所述有机绝缘层厚度为400~800nm。
所述有源层采用的材料为金属氧化物，氧化锌基等n型氧化物或镍、锡、铜等p型氧化物，将两种或多种金属醇盐或无机盐等溶液经水解直接形成溶胶或经解凝形成溶胶，然后是预退火聚合凝胶化溶质，再将凝胶干燥、去除有机成分，最后得到材料薄膜。
所述氧化物半导体薄膜是通过旋涂、刮涂或喷墨打印的方式制备，所述有源层的厚度为10~30nm。
所述有源层制备完成后的处理方式为：将制备完的有源层置于三轴移动平台上，用包含柱透镜的光学整形系统将飞秒/皮秒激光束调整成矩形，实现光与物质的均匀作用和大面积退火。
所述退火后的有源层处理方式为：飞秒/皮秒激光束置聚焦在三轴移动平台上有源层样品表面，实现高效、高精度的飞秒/皮秒激光消融。由计算机程序控制消融路径，实现有源层的图形化。
所述增反射膜层的处理方式为：在柔性衬底上依次交替沉积一定厚度的高折射率介质和低折射率介质。
本发明还提供了一种激光刻蚀和辐照退火实现柔性薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤，
s1：把pet/pen/pi基底粘贴在硅片/玻璃上，并在pet/pen/pi上沉积增反射膜层；
s2：用掩膜板蒸镀方法在增反射膜层上制作栅电极图案。
s3：通过旋涂/刮涂/印制的方式在步骤s2所述的薄膜上制备有机绝缘层；
s4：通过旋涂/刮涂/印制的方式在有机绝缘层制备有源层氧化锌基等n型氧化物或镍、锡、铜等p型氧化物；
s5：利用飞秒/皮秒激光对有源层进行辐射扫描退火；
s6：利用飞秒/皮秒激光加工平台对有源层进行刻蚀图形化；
s7：采用热蒸发的方法在有源层上通过掩膜板蒸镀出源漏电极图案。
本发明还提供了另一种激光辐照退火实现柔性薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤，
s1：把pet/pen/pi基底粘贴在硅片/玻璃上，并在pet/pen/pi上沉积增反射膜层；
s2：用掩膜板蒸镀方法在增反射膜层上制作栅电极图案。
s3：通过旋涂/刮涂/印制的方式在步骤s2所述的薄膜上制备有机绝缘层；
s4：通过旋涂/刮涂/印制的方式在有机绝缘层制备有源层氧化锌基等n型氧化物或镍、锡、铜等p型氧化物；
s5：利用飞秒/皮秒激光对有源层进行针对性区域辐照退火，使辐照区域前驱体转变为金属氧化物，而非辐照区域仍然绝缘，实现材料半导体功能区域的独立；
s6：采用热蒸发的方法在有源层上通过掩膜板蒸镀出源漏电极图案。
上述两种柔性薄膜晶体管的制作方法中，所述增反射膜层厚度满足关系nhdh=nldl=λ0/4，其中，d为膜厚度，n是折射率，λ0为垂直入射激光波长。
所述有源层退火所用激光为飞秒或皮秒激光。
以下为本发明的具体实施例。
实施例1
1）切割好的大小约为1.5cm×2.0cm的硅片/玻璃和同等大小的pen基片通过超声清洗氮气吹干。
2）用双面胶把pen粘贴到硅片/玻璃上。
3）用原子层沉积方法在pen上沉积一层tio2和两层al2o3/tio2的交替双层，其中al2o3和tio2的厚度分别为122.6nm和85.1nm。沉积温度为120度。
4）采用热蒸发的方式利用专用掩膜板在原子层沉积的介质多层上蒸镀出“t”形栅电极。
5）在步骤4)得到的薄膜表面上采用旋涂方式制备pvp绝缘层。pvp溶液配制按pvp粉末与交联剂为10:1的质量比，溶解在丙二醇甲醚乙酸酯(pgmea)溶剂中，磁力搅拌24小时并过滤。旋涂速度为2500rpm/min，时间为60s。在氮气环境中120度退火2小时。
6）在制备好的pvp上旋涂igzo有源层。igzo溶液的摩尔比zn:in:ga为3:6:1，浓度为0.2m，过滤后旋涂，速度为2500rpm/min，时间为60s，并120度预热20min。
7）用飞秒激光对igzo有源层进行辐照退火。
8）用飞秒激光对退火后的igzo有源层进行刻蚀消融。
9）采用热蒸发的方式利用专用掩膜板在退火后的igzo有源层上蒸镀出沟道长为50um，宽为50um的源漏电极。
步骤7）所述激光参数为：激光波长为800nm，重复频率为1khz，脉冲宽度45fs，功率密度为80-130mj/cm2，扫描速度为40-60um/s。
步骤8）所述激光参数为：激光波长为800nm，重复频率为1khz，脉冲宽度45fs，功率密度为350-500mj/cm2，扫描速度为300-500um/s。
实施例2
1）切割好的大小约为1.5cm×2.0cm的硅片/玻璃和同等大小带有ito的pen基片通过超声清洗氮气吹干。
2）用双面胶把带有ito的pen粘贴到硅片/玻璃上。
3）在步骤2)pen的ito面上采用旋涂方式制备pvp绝缘层。pvp溶液配制按pvp粉末与交联剂为10:1的质量比，溶解在丙二醇甲醚乙酸酯(pgmea)溶剂中，磁力搅拌24小时并过滤。旋涂速度为2500rpm/min，时间为60s。在氮气环境中120度退火2小时。
4）在制备好的pvp上旋涂igzo有源层。igzo溶液的摩尔比zn:in:ga为3:6:1，浓度为0.2m，过滤后旋涂，速度为2500rpm/min，时间为60s，并120度预热20min。
5）用飞秒激光对igzo有源层进行辐照退火。
6）用飞秒激光对退火后的igzo有源层进行刻蚀消融。
7）采用热蒸发的方式利用专用掩膜板在退火后的igzo有源层上蒸镀出沟道长为50um，宽为50um的源漏电极。
步骤5）所述激光参数为：激光波长为800nm，重复频率为1khz，脉冲宽度45fs，功率密度为80-130mj/cm2，扫描速度为40-60um/s。
步骤6）所述激光参数为：激光波长为800nm，重复频率为1khz，脉冲宽度45fs，功率密度为350-500mj/cm2，扫描速度为300-500um/s。
实施例1与实施例2制备的氧化物薄膜晶体管的电学转移特性曲线如图3所示。由图3可知，经过增加增反射膜层后，柔性tft的迁移率从2.13cm2v-1s-1提高到了4.25cm2v-1s-1，电流开关比得到较大提高。主要原因为增加增反射膜层后，在飞秒激光退火过程中，高能激光束被显著地反射，极大程度上减轻高能光子对柔性衬底的伤害，保证柔性tft器件结构和界面的稳定，同时增加有源层对激光能量的吸收，提高激光能量的使用效率。有效促进前驱体向金属-氧架构的转变，提高器件的迁移率。
上述实施例1为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。