本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种柔性晶体管制作方法及柔性晶体管。
背景技术
场效应晶体管是半导体和微电子行业中的常规电子器件，通常是在硅基底上结合微纳米加工工艺进行制备，具有输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。场效应晶体管在电子产品上的应用，极大促进了电子产品的发展。
但随着人们生活水平的提高，人们对使用的电子产品的性能提出了高的要求，尤其是电子产品的可弯曲性收到人们更大的关注，而这就对电子器件的柔性提出了要求。目前在大规模和超大规模集成电路中应用的场效应晶体管，大部分是采用如单晶硅等硬质材料作为原料，并经过刻蚀、光刻等半导体工艺制作而成。
但利用传统的方法制作而成的场效应晶体管过于硬化，柔性低，难以在具有可弯曲性的要求的电子产品的集成电路中进行大规模应用。因此需要找寻新一代的电子器件和相关制备技术。
技术实现要素：
针对背景技术中现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种柔性晶体管制作方法及柔性晶体管，解决了现有技术中场效应晶体管过于硬化，柔性低，难以在具有可弯曲性的要求的电子产品的集成电路中进行大规模应用的问题。
第一方面，本发明提供的一种柔性晶体管制作方法，该方法包括：
在柔性基底上制作间隔的液态金属源极、液态金属漏极，以及用于电连接所述液态金属源极和所述液态金属漏极的半导体层；
在所述半导体层上制作介电层，并在所述介电层上制作液态金属栅极。
第二方面，本发明提供的一种柔性晶体管，该晶体管包括：
柔性基底、液态金属源极、液态金属漏极、液态金属栅极、半导体层以及介电层，其中：
所述液态金属源极、液态金属漏极间隔设置在所述柔性基底上，并通过所述半导体层电连接；
所述介电层设于所述半导体层上，所述液态金属栅极设于所述介电层上。
本发明实施例提供的柔性晶体管制作方法及柔性晶体管采用柔性基底以及在柔性基底的基础上利用液态金属制作液态金属源极、液态金属漏极和液态金属栅极，从而得到具有柔性的晶体管，用于具有可弯曲性的电子产品的大规模集成电路。
附图说明
图1为本发明实施例提供的柔性晶体管制作方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的柔性晶体管制作方法中源极、漏极分布方式一时半导体层全部覆盖的示意图；
图3为本发明实施例提供的柔性晶体管制作方法中源极、漏极分布方式一时半导体层部分覆盖的示意图；
图4为本发明实施例提供的柔性晶体管制作方法中源极、漏极分布方式二时介电层全部覆盖的示意图；
图5为本发明实施例提供的柔性晶体管制作方法中源极、漏极分布方式二时介电层部分覆盖示意图；
图6为本发明实施例提供的柔性晶体管结构示意图；
图7为本发明实施例提供的柔性晶体管源极漏极阵列示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
随着电子产品的发展，人们越来越多的关注电子产品性能的提升，其中包括电子产品的可弯曲性以及电子器件的柔性，从而产生了一种新型电子技术即柔性电子。柔性电子是一种新兴电子技术，其器件具有独特的柔性和延展性，目前柔性电子一般是将有机无机材料电子器件制作在柔性可延性的衬底上例如塑料、薄金属基板等，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景。近几年柔性电子以其独特的延展性、多元化、低成本等方面的优势得到非常迅猛的发展。
现在柔性电子器件主要包括柔性显示、柔性存储、柔性储能、柔性传感、柔性电路等，这些柔性电子器件主要由功能器件和柔性电子线路组成，在柔性电子线路的研究和应用中，人们发现导电性良好的金属材料尽管可以通过构造岛状、蛇形、马蹄形等结构实现一定的形变能力，但很难实现较大范围的形变。
但一种新型功能材料的应用可以大大改善目前金属材料所不具有的形变能力，这种新型功能材料为液态金属，液态金属是常温常压下保持液态的一类合金，其具有优良的导电性、较低的凝固点以及其他各种常规材料无法拥有的属性。当前围绕室温液态金属的基础及应用研究已成为国际热门的重大科技前沿，不过，限于发展阶段，这类材料在功能性器件制造方面的探索才刚刚开始。液态金属制作柔性电子可以结合传统金属导电性能和非金属材料柔性的优势：
其一，熔点低、粘度低，室温下具有水一样的流动性；
其二，导电性强，电导率高；
其三，稳定性好，无毒且不易与其他物质反应；
其四，沸点高，达到2000摄氏度也不易挥发。
基于上述优点液态金属有助于提高电子器件的在柔性，尤其在晶体管制作方面，目前在大规模和超大规模集成电路中应用的场效应晶体管，大部分是基于硬质材料如单晶硅等材料经过刻蚀、光刻等半导体工艺制作而成，其过于硬化，柔性低，难以在具有可弯曲性的要求的电子产品的集成电路中进行大规模应用，而液态金属在晶体管制作中的应用，将会大大提高晶体管的柔性。
为了实现上述液态金属在晶体管中的应用，本发明实施例提供了一种柔性晶体管制作方法，克服传统的以硬质硅为衬底的薄膜晶体管不易弯曲，与柔性系统不兼容的特点，结合打印工艺，开发出应用广泛的液态金属晶体管，主要采用顶栅结构；图1为本发明实施例提供的柔性晶体管制作方法流程示意图，如图1所示，该方法包括：
步骤10、在柔性基底上制作间隔的液态金属源极、液态金属漏极，以及用于电连接液态金属源极和液态金属漏极的半导体层；
步骤11、在半导体层上制作介电层，并在介电层上制作液态金属栅极。
具体地，上述本发明实施例提供的柔性晶体管制作方法具体为选取柔性基底，该柔性基底可以通过聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯等材料制作而成，使得该柔性基底具有制作柔性晶体管所需要的柔性；在该柔性基底上制作间隔的液态金属源极、液态金属漏极，以及用于电连接液态金属源极和液态金属漏极的半导体层，其中，可以通过半导体层导电性能来实现自由电子或空穴在液态金属源极与液态金属漏极之间运动；具体的，用于形成液态金属源极与液态金属漏极的液态金属可以为汞hg、镓ga、铟in、锡sn、ga-in合金、ga-in-sn合金、金属或非金属掺杂的ga合金、金属或非金属掺杂的ga-in合金以及金属或非金属掺杂的ga-in-sn合金中的一种或其任意多种组合，除了上述列举的液态金属外，能够满足良好的导电性、柔性以及延展性的液态金属均可作为本发明中用于形成液态金属源极与液态金属漏极的液态金属。
具体地，在半导体层上制作介电层，并在介电层上制作液态金属栅极，即介电层在半导体层上，液态金属栅极在介电层上，且介电层将液态金属源极、液态金属漏极与液态金属栅极隔离，以使得液态金属源极与液态金属栅极之间以及液态金属漏极与液态金属栅极均绝缘，其中，为了增加晶体管的柔性，半导体层、液态金属源极、液态金属漏极和液态金属栅极的厚度均可以为10nm～100μm；介电层的厚度为50nm～1μm，其中优选为50nm～500nm。
本发明实施例提供的柔性晶体管制作方法采用柔性材料制作柔性基底，并在柔性基底的基础上利用液态金属制作液体状态的液态金属源极、液态金属漏极和液态金属栅极，从而得到具有柔性的晶体管，用于制作具有可弯曲性的电子产品的大规模集成电路。
在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的柔性晶体管制作方法中的在柔性基底上制作间隔的液态金属源极、液态金属漏极，以及用于电连接液态金属源极和液态金属漏极的半导体层具体为：
在柔性基底上制作间隔的液态金属源极和液态金属漏极，形成源极漏极阵列，并在源极漏极阵列之间的沟道中制作半导体层，或
在柔性基底上制作半导体层，在半导体层上制作间隔的液态金属源极和液态金属漏极，形成源极漏极阵列。即在柔性基底上制作的液态金属源极、液态金属漏极和半导体层之间的分布有多种方式，图2为本发明实施例提供的柔性晶体管制作方法中源极、漏极分布方式一时半导体层全部覆盖的示意图，如图2所示，在柔性基底21上制作间隔的液态金属源极22和液态金属漏极23，形成源极漏极阵列，并在源极漏极阵列之间的沟道中制作半导体层25；源极漏极阵列是将源极跟漏极之间的相对位置、分布按照预先设置，并通过打印的方式将液态金属材料打印至柔性基底21上，最终形成的液态金属源极22和液态金属漏极23的分布阵列；液态金属源极22跟液态金属漏极23之间的空置区域形成沟道，在沟道中制作半导体层25实现液态金属源极22跟液态金属漏极23之间的电连接，其中半导体层25可以完全覆盖液态金属源极22跟液态金属漏极23，也可以覆盖部分液态金属源极22跟液态金属漏极23，图3为本发明实施例提供的柔性晶体管制作方法中源极、漏极分布方式一时半导体层25部分覆盖的示意图，如图3所示，半导体层25实现液态金属源极22跟液态金属漏极23之间电连接的同时，覆盖部分液态金属源极22跟液态金属漏极23。
上述液态金属源极22跟液态金属漏极23的分布方式也可以为另一种，在柔性基底21上先制作半导体层25，在半导体层25上制作间隔的液态金属源极22和液态金属漏极23，形成源极漏极阵列，然后在此基础上再制作介电层26，其中介电层26可以完全覆盖液态金属源极22和液态金属漏极23也可以覆盖部分液态金属源极22和液态金属漏极23，图4为本发明实施例提供的柔性晶体管制作方法中源极、漏极分布方式二时介电层26全部覆盖的示意图，如图4所示，介电层26完全覆盖液态金属源极22和液态金属漏极23来实现液态金属源极22、液态金属漏极23与液态金属栅极24隔离，从而形成完整的晶体管结构。图5为本发明实施例提供的柔性晶体管制作方法中源极、漏极分布方式二时介电层26部分覆盖示意图，如图5所示，介电层26可以覆盖部分液态金属源极22和液态金属漏极23来实现液态金属源极22、液态金属漏极23与液态金属栅极24隔离，从而形成完整的晶体管结构。
在上述各实施例的基础上，本发明实施例提供的柔性晶体管制作方法中的液态金属源极22和液态金属漏极23通过打印技术制作，采用印刷电子技术与具有柔性而且可随意变形特点的高电导率液态金属材料相结合，在柔性衬底上制备性能良好的液态金属场效应晶体管；即在柔性基底21上通过打印技术打印出具有相对位置关系的液态金属源极22和液态金属漏极23，上述液态金属源极22和液态金属漏极23室温下均为液体状态，其中打印技术可以为数字电子打印技术、喷墨打印技术或者刮印技术等能够实现将液态金属打印到相对固定位置的打印技术均可。
本实施例中通过将打印技术与兼具优异导电性能与柔性的液态金属材料结合，在柔性基底上制作液体状态的液态金属源极、液态金属漏极以及液态金属栅极，结构简单、工艺灵活、成本较低、适于大批量生产，具有良好的柔性性能，在弯曲状态下可以稳定工作，在可穿戴电子设备、可弯曲显示屏等领域具有很大的应用前景，为全打印柔性液态金属逻辑电路的构建以及相关应用的研究打下了坚实的基础；同时，能够使本实施例中制作的柔性晶体管具有良好的柔性性能，在弯曲状态下可以稳定工作，在可穿戴电子设备、可弯曲显示屏等领域具有很大的应用前景，为进一步研发柔性电子、半导体单元乃至集成电路打下坚实的基础，同时使高度灵活性、智能性和可控性的柔性计算系统成为可能，也为新一代计算机的发展添薪加火。
为了改善半导体层的导电性能，本发明实施例提供的柔性晶体管制作方法中制作半导体层具体包括：
通过滴涂、喷涂或喷墨打印技术制作薄膜状的半导体层后，对半导体层进行退火处理或紫外光照处理。即通过滴涂、喷涂或喷墨打印技术制作薄膜状的半导体层后，将样品放进烘箱，在120℃的温度下进行30分钟的退火处理，以改善半导体层的电性能。其中利用滴涂或喷涂技术可将用于制作半导体层的材料沉积在源、漏电极沟道中，形成半导体薄膜，作为晶体管的半导体层，使源极和漏极电连接，用于制作半导体层的材料可以为碳纳米管、石墨烯、富勒烯、并五苯、氧化锌、聚噻吩、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺])、聚(3-己基噻吩-2,5-二基))、茈二酰亚胺聚合物或mos2(molybdenumdisulfide，二硫化钼)等。
为了改善介电层的绝缘性能，本发明实施例提供的柔性晶体管制作方法中半导体层上制作介电层具体包括：
通过旋涂、喷涂、滴涂或浸渍提拉技术制作薄膜状的介电层后，对介电层进行退火处理或紫外光照处理，改善介电层薄膜的性能；在本实施例中，用于形成所述介电层的材料为离子凝胶、环氧基树脂、光刻胶等液相介质材料中的任意一种，但不局限于以上几种介质材料。如pmma，即当采用旋涂、喷涂或滴涂技术在半导体层表面沉积材料pmma(polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)形成介电层后，将沉积有介电层薄膜的液态金属电极放进烘箱，在120℃的温度下进行30min的退火处理，以改善介电层的绝缘性能，处理后的介电层薄膜取出后置于手套箱中保存，或当采用浸渍技术在半导体层表面沉积材料su-8形成介电层时，将己打印好源、漏极沟道和半导体层的基片以设定慢速垂直浸入su-8介电层溶液，保持约60s，慢慢地垂直匀速向上提拉取出样品，将沉积有介电层薄膜的液态金属电极放进烘箱，在60℃的温度下进行15min的退火处理，取出后在24w，365nm的紫外灯下照射10min，以改善介电层薄膜的绝缘性能，然后对样品再次进行浸渍提拉，同样实施退火及紫外光照处理，处理后的介电层薄膜取出后置于手套箱中保存，其中，该su-8材料为一种环氧型的、近紫外光负光刻胶,它基于环氧su-8树脂(来源于橡胶工业)，业界统称su-8。本实施例中的柔性晶体管整体厚度薄，具有较高的透明度，这在某些特定领域具有潜在的应用价值。
为了实现柔性晶体管的进一步制作，本发明实施例提供的柔性晶体管制作方法中的在介电层上制作液态金属栅极后，还包括：
通过弹性高分子材料对制备好的晶体管进行封装，弹性高分子材料为聚二甲基硅氧烷(pdms)、硅胶等。即在上述实施例的基础上得到制备好的晶体管后，将pdms(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)和硅胶固化剂以10:1的质量比混合均匀，随后将混合液均匀涂覆在晶体管器件表面，置于100℃烘箱中加热1小时，凝固后取出，最后获得柔性性能优良的柔性晶体管。
本发明实施例还提供了一种柔性晶体管，图6为本发明实施例提供的柔性晶体管结构示意图，如图6所示，该晶体管包括：
柔性基底21、液态金属源极22、液态金属漏极23、液态金属栅极24、半导体层25以及介电层26，其中，液态金属源极22、液态金属漏极23间隔设置在柔性基底21上，并通过半导体层25电连接；介电层26设于半导体层25上，液态金属栅极24设于介电层26上。
具体地，上述本发明实施例提供的柔性晶体管具体包括柔性基底21、液态金属源极22、液态金属漏极23、液态金属栅极24、半导体层25以及介电层26，其中柔性基底21可以为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯等材料制作而成，使得该柔性基底21具有制作柔性晶体管所需要的柔性，液态金属源极22、液态金属漏极23间隔设置在柔性基底21上，并通过半导体层25电连接，其中液态金属源极22和液态金属漏极23之间的间隔设置半导体层25，液态金属源极22与液态金属漏极23可以通过半导体层25电连接进行导电实现自由电子或空穴在液态金属源极22和液态金属漏极23之间运动，用于形成液态金属源极22与液态金属漏极23的液态金属可以为汞hg、镓ga、铟in、锡sn、ga-in合金、ga-in-sn合金、金属或非金属掺杂的ga合金、金属或非金属掺杂的ga-in合金以及金属或非金属掺杂的ga-in-sn合金中的一种或其任意组合，能够满足良好的导电性、柔性以及延展性的液态金属均可，介电层26设于半导体层25上，液态金属栅极24设于介电层26上即介电层26在半导体层25上，液态金属栅极24在介电层26上，且介电层26将液态金属源极22、液态金属漏极23与液态金属栅极24隔离使得液态金属源极22与液态金属栅极24之间以及液态金属漏极23与液态金属栅极24均绝缘。
本发明实施例提供的柔性晶体管采用柔性基底以及在柔性基底的基础上利用液态金属制作液态金属源极、液态金属漏极和液态金属栅极，从而得到具有柔性的晶体管，用于具有可弯曲性的电子产品的大规模集成电路。
在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的柔性晶体管中的半导体层25设于柔性基底21表面；液态金属源极22、液态金属漏极23间隔设于半导体层25上，形成源极漏极阵列，介电层26沉积于源极漏极阵列间的沟道中。即在柔性基底21上先设置半导体层25，在半导体层25上设置具有相对位置的液态金属源极22和液态金属漏极23，来形成液态金属源极22和液态金属漏极23之间具有沟道的源极漏极阵列，如图4或5所示，在上述沟道的基础上，用于形成介电层26的绝缘材料沉积于源极漏极阵列间的沟道中，形成使液态金属源极22和液态金属漏极23均与液态金属栅极24绝缘的介电层26，其中，图7为本发明实施例提供的柔性晶体管源极漏极阵列示意图，如图7所示，半导体层25设于柔性基底21表面，多个液态金属源极22和多个液态金属漏极23形成源极漏极阵列，且该阵列中的液态金属源极22和液态金属漏极23并不局限于图中的数量，该阵列可通过打印技术打印得到，结构简单、工艺灵活、成本较低、适于大批量生产，在获得此源极漏极阵列后，在此基础上按照上述有关介电层和液态金属栅极的制作方式来制作介电层和液态金属栅极，并可进行大批量生产。
本实施例中选用兼具优异导电性能与柔性的液态金属材料结合，在柔性基底上制作液体状态的液态金属源极、液态金属漏极以及液态金属栅极，结构简单、工艺灵活、成本较低、适于大批量生产，具有良好的柔性性能，在弯曲状态下可以稳定工作，在可穿戴电子设备、可弯曲显示屏等领域具有很大的应用前景，为全打印柔性液态金属逻辑电路的构建以及相关应用的研究打下了坚实的基础；同时，能够使本实施例中制作的柔性晶体管具有良好的柔性性能，在弯曲状态下可以稳定工作，在可穿戴电子设备、可弯曲显示屏等领域具有很大的应用前景，为进一步研发柔性电子、半导体单元乃至集成电路打下坚实的基础，同时使高度灵活性、智能性和可控性的柔性计算系统成为可能，也为新一代计算机的发展添薪加火。
本发明实施例提供的柔性晶体管中的液态金属源极22、液态金属漏极23间隔设于柔性基底21表面，形成源极漏极阵列；半导体层25沉积于源极漏极阵列间的沟道中，介电层26设于半导体层25表面。即在柔性基底21表面先设置液态金属源极22和液态金属漏极23，形成源极漏极阵列以及源极漏极阵列中的沟道，然后将用于形成半导体层25的材料沉积于源极漏极阵列间的沟道中来形成半导体层25，该半导体层25将液态金属源极22和液态金属漏极23电连接，实现液态金属源极22和液态金属漏极23之间的导电，如图2或3所示，然后在半导体层25上设置介电层26，使得液态金属源极22和液态金属漏极23均与液态金属栅极24绝缘。
为了实现柔性晶体管的进一步制作，本发明实施例提供的柔性晶体管还包括弹性高分子封装管，弹性高分子封装管用于对晶体管进行封装。即在上述各实施例的基础上得到制备好的晶体管后，将pdms和硅胶固化剂以10:1的质量比混合均匀，随后将混合液均匀涂覆在晶体管器件表面，置于100℃烘箱中加热1小时，凝固后取出，最后获得性能优良的柔性晶体管。
本发明的柔性晶体管是通过上述各方法实施例得到的，其中各方法实施例得到的柔性晶体管均属于本发明保护的范围，此处不再赘述。
综上所述，本发明实施例中提供的柔性晶体管制作方法及柔性晶体管，采用柔性基底以及在柔性基底的基础上利用液态金属制作液态金属源极、液态金属漏极和液态金属栅极，从而得到具有柔性的晶体管，通过将打印技术与兼具优异导电性能与柔性的液态金属材料结合，结构简单、工艺灵活、成本较低、适于大批量生产，具有良好的柔性性能，在弯曲状态下可以稳定工作，在可穿戴电子设备、可弯曲显示屏等领域具有很大的应用前景，为全打印柔性液态金属逻辑电路的构建以及相关应用的研究打下了坚实的基础；同时，能够使本实施例中制作的柔性晶体管具有良好的柔性性能，在弯曲状态下可以稳定工作，在可穿戴电子设备、可弯曲显示屏等领域具有很大的应用前景，为进一步研发柔性电子、半导体单元乃至集成电路打下坚实的基础，同时使高度灵活性、智能性和可控性的柔性计算系统成为可能，也为新一代计算机的发展添薪加火。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。