一种柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管及其制备方法与流程

本发明涉及一种非晶氧化物半导体薄膜晶体管，尤其涉及一种n型柔性非晶氧化物半导体薄膜晶体管及其制备方法。

背景技术

相对于传统电子，柔性电子具有更大的灵活性，能够在一定程度上适应不同的工作环境，柔性电子产品可满足客户对于设备的形变要求，是一种可穿戴和智能化的产品。但是，柔性电子产品有严苛的技术要求，生产相对更加困难，这制约了柔性电子的发展。首先，柔性电子在不损坏本身电子性能的基础上，须有良好的伸展性和弯曲性，这对电路的制作材料提出了新的挑战；其次，柔性电子的制备条件以及组成电路的各种电子器件的性能要求，相对于传统的电子器件来说，也是比较困难的，是其发展的一大难题。目前，柔性可穿戴电子产品的研究开发是国内外科研人员共同关注的领域，柔性薄膜晶体管（tft）更是其中尤为关键的一种元器件。

薄膜晶体管是微电子特别是显示工程领域的核心技术之一。目前，在平板显示、手机等领域，主要采用的是氢化非晶硅（a-si:h）tft，但是a-si:htft自身存在很多缺点，如可见光不透明，光敏性强，而且显示屏的像素开口率低，迁移率低（<1cm²v^-1s^-1）,这些缺点直接限制了a-si:htft的应用。对于大尺寸、高分辨率和高帧率的柔性显示屏，所需的tft器件的迁移率要求比较高，对于柔性amoled，其驱动方式是电流模式，一般需要注入较大的电流才能驱动oled，传统沟道材料的薄膜晶体管器件并不适用。为了解决上述问题，科研工作者开始着力研究新型氧化物半导体tft。氧化物tft具有沉积温度低、迁移率高、开启电压低、均匀性好并且容易制备等优点，能够极大地满足大面积显示驱动电路的要求。目前，研究最为广泛的tft沟道层材料是非晶氧化物半导体，特别是非晶ingazno薄膜，而且有望走向实际应用。但是ingazno材料中含有in和ga两种贵重金属，特别是in元素，铟是一种稀有贵重金属，地质储量非常少，有报道称15年左右将消耗殆尽，这不仅造成了其生产成本居高不下，而且也不利于可持续发展。

本发明针对可穿戴柔性电子产品的应用需求，开发一种柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管及其制备方法，在保证柔性薄膜晶体管器件各方面性能的同时，并不含有in、ga等元素，非常有利于实现产业化，并且大幅降低了成本。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种在柔性衬底上生长n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管及其制备方法，tft器件具有全透明、高开关比、高场效应迁移率等优点。

本发明的一种柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管，所述的非晶氧化物半导体薄膜晶体管，依次包括有机柔性衬底、zno:al（azo）栅极、al2o3绝缘层、非晶znalsno沟道层、azo源极、azo漏极和al2o3封装层，全部采用含有al元素的氧化物薄膜来制备各功能层，且上述薄膜在室温下的禁带宽度均大于3.35ev，在可见光区域是透明的。

优选地，非晶znalsno化学式为zn4al7-xsnxo0.5x+14.5，其中5.6≦x≦6.5，为n型导电的半导体，非晶znalsno薄膜厚度20~30nm，以非晶znalsno为沟道层制作n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管。

优选地，azo薄膜中al掺杂含量为2~5at.%，azo薄膜为透明导电薄膜，厚度80~100nm，作为栅极、源极和漏极；作为绝缘层的al2o3薄膜厚度150~300nm；作为封装层的al2o3薄膜厚度30~100nm。

优选地，所述的柔性衬底为聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）、聚萘二甲酸乙二醇酯（pen）和聚酰亚胺（pi）等有机聚合物衬底。

本发明还提供了制备上述柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管的方法，所有功能层薄膜均采用磁控溅射方法制备，具体包括如下步骤：

1）将称量好的zno、al2o3、sno2粉末加入有玛瑙珠的球磨罐中，加入酒精作为介质在球磨机上球磨，将球磨后的浆料经过滤后放置于干燥箱干燥，将干燥后所得的干燥粉末在研钵中研磨并过滤，采用热压烧结制备成3英寸的znalsno陶瓷靶材。

2）将有机柔性衬底，按丙酮、乙醇、去离子水、乙醇的顺序依次超声清洗40分钟，将清洗后的衬底固定栅极掩膜板。

3）采用磁控溅射方法，以azo陶瓷片为靶材，在有机柔性衬底上沉积一层azo薄膜，沉积条件为：衬底和靶材的距离为100mm，生长室抽至真空度在1.0×10^-3mtorr以上，生长室通入ar和o2，ar和o2的流量比为100:6，溅射压强控制为3.7mtorr，调节溅射功率为150w，室温生长，溅射时间为10min。

4）去除栅极掩膜板，固定绝缘层掩膜板。采用磁控溅射方法，以al2o3陶瓷片作为靶材，在3）中样品上沉积一层al2o3薄膜，沉积条件为：衬底和靶材的距离为100mm，生长室抽至真空度在1.0×10^-3mtorr以上，生长室通入ar和o2，ar和o2的流量比为100:15，溅射压强控制为0.2mtorr，调节溅射功率为110w，150℃生长，溅射时间为25min。

5）待步骤4）中样品恢复室温，去除绝缘层掩膜板，固定有源层掩膜板，采用磁控溅射方法，以步骤1）的znalsno陶瓷片作为靶材，在步骤4）所得样品上沉积一层znalsno薄膜，沉积条件为：衬底和靶材的距离为100mm，生长室抽至真空度在1.0×10^-3mtorr以上，生长室通入ar和o2，ar和o2的流量比为100:40，溅射压强控制为7.52mtorr，调节溅射功率为120w，室温生长，溅射时间为9min。

6）去除有源层掩膜板，采用ar等离子体处理步骤5）所得样品，条件为：在150℃下，生长室通入ar，生长室真空度为12mtorr，功率为45w，等离子处理时间为20min，生长室通入ar-o2混合气，比例为100:35，生长室真空度为12mtorr，功率为20w，等离子体处理30min。

7）固定源漏电极掩膜板，采用磁控溅射方法，以步骤3）中的azo靶作为靶材，在步骤6）所得样品上沉积azo电极，沉积条件为：衬底和靶材的距离为100mm，生长室抽至真空度在1.0×10^-3mtorr以上，生长室通入ar和o2，ar和o2的流量比为100:6，溅射压强控制为3.7mtorr，调节溅射功率为150w，室温生长，溅射时间为10min。

8）去除源漏极掩膜板，固定封装掩膜板，采用磁控溅射方法，以步骤4）中al2o3靶作为靶材，在步骤7）所得样品上沉积al2o3薄膜，沉积条件为：衬底和靶材的距离为100mm，生长室抽至真空度在1.0×10^-3mtorr以上，生长室通入ar和o2，ar和o2的流量比为100:15，溅射压强控制为0.2mtorr，调节溅射功率为110w，150℃生长，溅射时间为15min。

根据上述方案制备的柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管，具有下述性能特征：薄膜晶体管沟道层导电类型为n型，场效应迁移率大于8.1cm²/vs，tft器件透过率>90%，器件弯曲1000次后性能依然保持不变。

非晶氧化物半导体薄膜晶体管的基本组成单元包括：衬底、栅极、绝缘层、沟道层、源极、漏极和封装层。（1）衬底包括无机硬质衬底和有机柔性衬底，为了提高tft器件性能，通常需要在一定的加热温度下生长各层薄膜，因而大多使用的是无机硬质衬底，有机柔性衬底应用相对很少。（2）在各层薄膜中，沟道层薄膜占据最为重要的地位，比如ingazno、znalsno等非晶氧化物半导体薄膜，通常在300-500℃下生长性能最好，而这些不适合于有机柔性衬底，以有机聚合物为衬底需要低温沉积，特别是，若能在室温下制备出性能优异的沟道层薄膜，则是一个巨大的突破，但是室温生长的非晶氧化物薄膜通常性能较差，难以满足tft器件性能的要求。（3）绝缘层材料可包括sio2、si3n4、hfo2、zro2、al2o3，通常采用的是sio2和si3n4薄膜，al2o3薄膜也可用于绝缘层，但基本都是采用原子层沉积（ald）生长的，磁控溅射生长的al2o3薄膜用于绝缘层的还很少，这主要是通常情况下磁控溅射生长的al2o3薄膜不够致密，磁控溅射低温生长的al2o3薄膜质量会更差一些。（4）栅极、源极和漏极通常采用金属电极，如au、ag、al等，也有报道以透明导电ito薄膜为栅极、源极或漏极的，azo是新开发的一种透明导电氧化物材料，在某些学术论文中也有以azo为电极的报道，但无论ito还是azo，都只是用于栅极，或者只是用于源极和漏极，特别是azo薄膜，虽然azo价格明显低于ito，但azo导电性能劣于ito薄膜，至今为止几乎没有将azo薄膜同时用于栅极、源极和漏极的先例。（5）封装层，目前的封装层大多为sio2薄膜，al2o3用于封装层材料的还不多。上述材料，单独任一种材料的性能均不占优势，也似乎不太适合室温生长，更不太适合用于有机柔性衬底，但本发明专利表明，将这些材料组合在一起，再加上独特的生长和处理工艺，在低温下（不超过150℃）于有机衬底上制备出了柔性znalsno薄膜晶体管，而且性能良好，产生了意想不到的效果。

本发明的有益效果在于：

1）本发明所述的一种柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管及其制备方法，所有各薄膜层均为金属氧化物薄膜，在可见光区域是透明的，有机衬底也是透明的，因而所制得的薄膜晶体管是全透明的，且是柔性的，是一种全透明柔性电子器件，在可穿戴、便携式、智能化的新一代信息电子领域具有广泛的应用前景。

2）本发明所述的一种柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管及其制备方法，所有各薄膜层均为含有al元素的氧化物薄膜，al是联系各层的中介元素，可在每一层的表面处存在，可起到有效链接各层的效果，达到各薄膜层的界面匹配，特别是界面结构匹配，并提升各层之间的结合力和附着力。

3）本发明所述的一种柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管及其制备方法，完全不使用in、ga等贵重金属，显著降低了器件成本，便于可持续发展。

4）本发明所述的一种柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管及其制备方法，所有制程工艺在低温下完成，不超过150℃，很多工序在室温下完成，可显著降低能耗，有利于节能环保和进一步降低成本。

5）本发明所述的一种柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管及其制备方法，提供的柔性非晶zn4al7-xsnxo0.5x+14.5（5.5≦x≦6.9）薄膜晶体管，解决了该种类型沟道层需要高温退火才能达到稳定性能的技术难题，使其具有良好的器件性能。

6）本发明提供的柔性非晶zn4al7-xsnxo0.5x+14.5（5.5≦x≦6.9）薄膜晶体管，具有高开关比、高场效应迁移率，各方面性能远胜于传统沟道薄膜晶体管，甚至优于现有商用ingazno薄膜晶体管器件。

7）本发明所述的一种柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管及其制备方法，所涉及的工艺流程均采用磁控溅射设备来完成，磁控溅射是一种典型的工业化生长设备，本发明的工艺流程采用磁控溅射这一种类型的设备完成，有利于简化工艺程序，易于操作，便于推广和规模化生产。

8）本发明专利所述的一种柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管及其制备方法，所使用的设备和工艺流程，与现有的微电子工艺完全兼容，可使其实现工业上的大范围应用。

附图说明

图1为柔性衬底n型非晶氧化物半导体薄膜晶体管器件结构示意图。1为有机柔性衬底，2为azo栅极3为al2o3绝缘层，，4为非晶znalsno沟道层，5为azo源极，6为azo漏极，7为al2o3封装层。

图2为实施例1制得的柔性znalsno薄膜晶体管的转移特性曲线。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例进一步说明本发明。

实施例1

1）将称量好的zno、al2o3、sno2粉末加入有玛瑙珠的球磨罐中，加入酒精作为介质在球磨机上球磨，将球磨后的浆料经过滤后放置于干燥箱干燥，将干燥后所得的干燥粉末在研钵中研磨并过滤，采用热压烧结制备成3英寸的znalsno陶瓷靶材。

2）选用聚萘二甲酸乙二醇酯（pen）为有机柔性衬底，按丙酮、乙醇、去离子水、乙醇的顺序依次超声清洗40分钟，将清洗后的衬底固定栅极掩膜板。

3）采用磁控溅射方法，以azo陶瓷片为靶材，在有机柔性衬底上沉积一层azo薄膜，沉积条件为：衬底和靶材的距离为100mm，生长室抽至真空度在1.0×10^-3mtorr以上，生长室通入ar和o2，ar和o2的流量比为100:6，溅射压强控制为3.7mtorr，调节溅射功率为150w，室温生长，溅射时间为10min。

4）去除栅极掩膜板，固定绝缘层掩膜板。采用磁控溅射方法，以al2o3陶瓷片作为靶材，在3）中样品上沉积一层al2o3薄膜，沉积条件为：衬底和靶材的距离为100mm，生长室抽至真空度在1.0×10^-3mtorr以上，生长室通入ar和o2，ar和o2的流量比为100:15，溅射压强控制为0.2mtorr，调节溅射功率为110w，150℃生长，溅射时间为25min。

5）待步骤4）中样品恢复室温，去除绝缘层掩膜板，固定有源层掩膜板，采用磁控溅射方法，以步骤1）的znalsno陶瓷片作为靶材，在步骤4）所得样品上沉积一层znalsno薄膜，沉积条件为：衬底和靶材的距离为100mm，生长室抽至真空度在1.0×10^-3mtorr以上，生长室通入ar和o2，ar和o2的流量比为100:40，溅射压强控制为7.52mtorr，调节溅射功率为120w，室温生长，溅射时间为9min。

6）去除有源层掩膜板，采用ar等离子体处理步骤5）所得样品，条件为：在150℃下，生长室通入ar，生长室真空度为12mtorr，功率为45w，等离子处理时间为20min，生长室通入ar-o2混合气，比例为100:35，生长室真空度为12mtorr，功率为20w，等离子体处理30min。

7）固定源漏电极掩膜板，采用磁控溅射方法，以步骤3）中的azo靶作为靶材，在步骤6）所得样品上沉积azo电极，沉积条件为：衬底和靶材的距离为100mm，生长室抽至真空度在1.0×10^-3mtorr以上，生长室通入ar和o2，ar和o2的流量比为100:6，溅射压强控制为3.7mtorr，调节溅射功率为150w，室温生长，溅射时间为10min。

8）去除源漏极掩膜板，固定封装掩膜板，采用磁控溅射方法，以步骤4）中al2o3靶作为靶材，在步骤7）所得样品上沉积al2o3薄膜，沉积条件为：衬底和靶材的距离为100mm，生长室抽至真空度在1.0×10^-3mtorr以上，生长室通入ar和o2，ar和o2的流量比为100:15，溅射压强控制为0.2mtorr，调节溅射功率为110w，150℃生长，溅射时间为15min。

对上述所得的各层薄膜进行材料测试，结果表明：azo薄膜中al含量为2at.%，厚度为80~100nm，为栅极、源极和漏极；非晶znalsno化学组成为zn4al7-xsnxo0.5x+14.5，其中x=6.5，为n型导电的半导体，薄膜厚度20~30nm，为沟道层；作为绝缘层的al2o3薄膜厚度150~300nm；作为封装层的al2o3薄膜厚度30~100nm；上述薄膜在室温下的禁带宽度均大于3.35ev，在可见光区域是透明的。

对上述制得的柔性非晶znalsno薄膜晶体管进行物理特性测试，附图2所示为转移特性曲线，图中横坐标为栅极电压，纵坐标为源漏电流，当源漏电压vds为10v，场效应迁移率为9.2cm²/vs，开关电流比在10⁵量级；tft器件透过率>90%，器件弯曲1000次后性能依然保持不变。

实施例2

1）将称量好的zno、al2o3、sno2粉末加入有玛瑙珠的球磨罐中，加入酒精作为介质在球磨机上球磨，将球磨后的浆料经过滤后放置于干燥箱干燥，将干燥后所得的干燥粉末在研钵中研磨并过滤，采用热压烧结制备成3英寸的znalsno陶瓷靶材。

2）选用聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）为有机柔性衬底，按丙酮、乙醇、去离子水、乙醇的顺序依次超声清洗40分钟，将清洗后的衬底固定栅极掩膜板。

3）采用磁控溅射方法，以azo陶瓷片为靶材，在有机柔性衬底上沉积一层azo薄膜，沉积条件为：衬底和靶材的距离为100mm，生长室抽至真空度在1.0×10^-3mtorr以上，生长室通入ar和o2，ar和o2的流量比为100:6，溅射压强控制为3.7mtorr，调节溅射功率为150w，室温生长，溅射时间为10min。

4）去除栅极掩膜板，固定绝缘层掩膜板。采用磁控溅射方法，以al2o3陶瓷片作为靶材，在3）中样品上沉积一层al2o3薄膜，沉积条件为：衬底和靶材的距离为100mm，生长室抽至真空度在1.0×10^-3mtorr以上，生长室通入ar和o2，ar和o2的流量比为100:15，溅射压强控制为0.2mtorr，调节溅射功率为110w，150℃生长，溅射时间为25min。

5）待步骤4）中样品恢复室温，去除绝缘层掩膜板，固定有源层掩膜板，采用磁控溅射方法，以步骤1）的znalsno陶瓷片作为靶材，在步骤4）所得样品上沉积一层znalsno薄膜，沉积条件为：衬底和靶材的距离为100mm，生长室抽至真空度在1.0×10^-3mtorr以上，生长室通入ar和o2，ar和o2的流量比为100:40，溅射压强控制为7.52mtorr，调节溅射功率为120w，室温生长，溅射时间为9min。

6）去除有源层掩膜板，采用ar等离子体处理步骤5）所得样品，条件为：在150℃下，生长室通入ar，生长室真空度为12mtorr，功率为45w，等离子处理时间为20min，生长室通入ar-o2混合气，比例为100:35，生长室真空度为12mtorr，功率为20w，等离子体处理30min；

7）固定源漏电极掩膜板，采用磁控溅射方法，以步骤3）中的azo靶作为靶材，在步骤6）所得样品上沉积azo电极，沉积条件为：衬底和靶材的距离为100mm，生长室抽至真空度在1.0×10^-3mtorr以上，生长室通入ar和o2，ar和o2的流量比为100:6，溅射压强控制为3.7mtorr，调节溅射功率为150w，室温生长，溅射时间为10min。

8）去除源漏极掩膜板，固定封装掩膜板，采用磁控溅射方法，以步骤4）中al2o3靶作为靶材，在步骤7）所得样品上沉积al2o3薄膜，沉积条件为：衬底和靶材的距离为100mm，生长室抽至真空度在1.0×10^-3mtorr以上，生长室通入ar和o2，ar和o2的流量比为100:15，溅射压强控制为0.2mtorr，调节溅射功率为110w，150℃生长，溅射时间为15min。

对上述所得的各层薄膜进行材料测试，结果表明：azo薄膜中al含量为5at.%，厚度为80~100nm，为栅极、源极和漏极；非晶znalsno化学组成为zn4al7-xsnxo0.5x+14.5，其中x=5.6，为n型导电的半导体，薄膜厚度20~30nm，为沟道层；作为绝缘层的al2o3薄膜厚度150~300nm；作为封装层的al2o3薄膜厚度30~100nm；上述薄膜在室温下的禁带宽度均大于3.35ev，在可见光区域是透明的。

对上述制得的柔性非晶znalsno薄膜晶体管进行物理特性测试，场效应迁移率为8.1cm²/vs，开关电流比在10⁵量级；tft器件透过率>90%，器件弯曲1000次后性能依然保持不变。