一种全透明柔性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，尤其涉及一种全透明柔性非晶氧化物半导体薄膜晶体管。。

背景技术：

随着信息技术的发展，人们对显示产品的要求越来越高，全透明柔性显示被认为是未来的一种新型显示技术，具有可穿戴、便携化和智能化的特点。在显示器件中，薄膜晶体管（tft）是其核心部件之一。目前，全透明柔性tft已成为一个国内外学术界和产业界都争相研发的热点方向。除透明和可挠曲特性外，全透明柔性tft还具有轻、薄、耐冲击、大面积等方面的优势，在大面积平板显示、有源矩阵有机发光二极管（amoled）、电子纸等领域有广泛的应用前景。

目前，商业上广泛应用的是si基tft，但si是窄禁带半导体，对可见光是不透明的，而且难以低温沉积，不适用于有机柔性衬底。因而，传统的si基tft已不再适用于制备全透明柔性器件。为此，宽禁带氧化物半导体tft进入人们的研究视野，并日益受到关注。与si基tft不同，氧化物tft具有如下优点：可见光透明，光敏退化性小，不用加掩膜层，提高了开口率，可解决开口率低对高分辨率、超精细显示屏的限制；易于室温沉积，适用于有机柔性基板；迁移率较高，可实现高的开/关电流比，较快的器件响应速度，应用于高驱动电流和高速器件；特性不均较小，电流的时间变化也较小，可抑制面板的显示不均现象，适于大面积化用途。

在氧化物半导体tft领域，人们最早研究的是znotft。zno可在室温下沉积生成多晶薄膜，迁移率高，器件性能较好，但是多晶态的zno晶粒尺寸较大，难以细化，存在大量晶界，表面粗糙度较大，造成器件成品率较低。为此，人们开发了以ingazno为代表的非晶氧化物tft，zn为基体元素，in可形成电子传输的通道，ga为电子浓度控制元素，目前ingaznotft研究最为广泛。随着研发的持续开展，人们又开发了znalsno为代表的非晶氧化物tft，zn为基体元素，sn可形成电子传输的通道，al为电子浓度控制元素。目前，非晶氧化物半导体（aos）材料主要是inzno基（ingazno为代表）和znsno基（znalsno为代表）两种体系的材料，人们对此的研究也已很多，但大多基于硬质衬底在一定的加热温度下制备，而且使用的是金属电极，所得到的也并非全透明tft。

因而，如何制备高性能的全透明柔性aostft依然是一个尚未解决的科技难题。主要存在三方面的问题需要解决：其一，如何选择电极、沟道层与绝缘层材料，实现各层材料彼此的有效匹配，而且是全透明的；其二，如何使沉积的各层薄膜与有机衬底有很强的附着力，而且具有良好的弯曲稳定性；其三，采取何种工艺能有效提高器件性能，且与有机柔性衬底相兼容。若想制备得到高器件性能的aostft，上述三方面的问题必须得到解决，而且技术方案还必须具备批量化生产和产业化能力。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述科技难题，提供一种全透明柔性非晶氧化物半导体薄膜晶体管及其制备方法。

本发明提供了一种全透明柔性非晶氧化物半导体薄膜晶体管，以透明的有机聚合物为衬底，衬底保护与气体阻隔层为al2o3薄膜，栅极绝缘层为al2o3-zro2复合薄膜，栅极、源极和漏极为al掺杂zno（azo）薄膜，沟道层为znalmo（其中m为金属元素）薄膜，封装层为al2o3薄膜，除衬底外，各层材料均为含有al元素的氧化物薄膜，且其禁带宽度均大于3.35ev，在可见光区域是透明的。

优选地，znalmo薄膜，m为in，因而沟道层薄膜为znalino。

优选地，znalmo薄膜，m为sn，因而沟道层薄膜为znalsno。

本发明还提供了上述全透明柔性非晶氧化物半导体薄膜晶体管的制备方法，包括下述步骤：

（1）将有机聚合物衬底置于ar-n2的混合等离子体气氛中，衬底的正反两面采用等离子体轰击10~15min，使其表面均形成均匀的凹凸起伏的绒面结构；

（2）将上述经等离子体处理的有机聚合物衬底置于n2-o2混合气氛下，以5℃/min的升温速率加热到60~80℃，保温20~30分钟，然后在该加热温度下在衬底的正反两面沉积相同厚度的al2o3薄膜，为衬底保护与气体阻隔层，沉积完成后，自然冷却至室温；

（3）在上述沉积有al2o3薄膜的衬底上，在其正面沉积各功能层薄膜，包括栅极azo薄膜，栅极绝缘层al2o3-zro2复合薄膜，沟道层znalmo（m=in或sn）薄膜，源极和漏极azo薄膜，封装层al2o3薄膜，上述各薄膜层均在低于60℃的温度下沉积，制得aostft器件；

（4）采用脉冲激光加热技术，在ar气氛下，对上述aostft器件进行整体退火处理，激光束斑直径可恰好覆盖单个tft器件，激光功率10~50mj/cm²，照射时间10~20ns，脉冲次数1次，在退火过程中，利用al元素的界面扩散来提升各层之间的界面匹配和结合强度，从而得到高性能的aostft器件。

本发明的全透明柔性非晶氧化物半导体薄膜晶体管，具有下述性能指标：开关电流比大于10⁷，场效应迁移率大于50cm²/vs，阈值电压0.1~0.9v，亚阈值摆幅小于0.3v/decade；tft器件的可见光透过率大于91%，弯曲5000次后性能基本保持不变。

非晶氧化物薄膜晶体管的基本组成单元包括：衬底、沟道层、绝缘层、栅极、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、zro2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、zro2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、zro2薄膜不够致密，磁控溅射低温生长的al2o3、zro2薄膜质量会更差一些，al2o3-zro2复合薄膜用于绝缘层也很少有人研发。（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，在有机衬底上制备出了全透明柔性非晶氧化物半导体薄膜晶体管，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）采用等离子体轰击有机聚合物衬底，使其表面形成均匀的凹凸起伏的绒面结构，然后在其上沉积al2o3薄膜，可显著增强al2o3薄膜与有机聚合物衬底的附着力与结合力，同时可使制备得到的aostft器件具有良好的弯曲稳定性。

（2）将经等离子体处理的有机聚合物衬底置于n2-o2混合气氛下，以5℃/min的升温速率加热到60~80℃，保温20~30分钟，可有效去除有机聚合物中的气体和水分，待气体去除后，再在衬底正反两面沉积al2o3薄膜，一方面作为衬底保护层，保护衬底免受外界摩擦的影响，另一方面作为气体阻隔层，阻止外部的气体或水气再进入有机聚合物衬底，从而可避免在器件制备的后续制程和器件工作过程中因温度升高引起气体或水气释放而产生的薄膜开裂和脱落，有效提高器件的性能和耐候性。

（3）在全透明柔性aostft器件制备程序结束后，采用脉冲激光瞬间退火技术，可有效加热各功能层，实现对各功能层的退火，有效提升各层薄膜质量，同时可有效避免对有机聚合物衬底的加热，从而达到同时实现各功能层的快速高温退火又能避免有机衬底升温的效果，从而在柔性衬底上得到高性能的aostft器件。

4）在全透明柔性aostft器件中，衬底保护和气敏阻隔层为al2o3薄膜，栅极绝缘层为al2o3-zro2复合薄膜，栅极、源极和漏极为azo薄膜，沟道层为znalmo（m=in或sn）薄膜，各层材料均为含有al元素的氧化物薄膜，al是联系各层的中介元素，在器件后续处理过程中，采用脉冲激光瞬间退火技术，可有效加热各功能层，利用al元素的界面扩散来提升各层之间的界面匹配，特别是界面结构匹配，并提升各层之间的结合强度。

5）在器件制备过程中，采用等离子体轰击技术、有机衬底低温加热技术、衬底保护与气体阻隔层技术、功能层低温沉积技术、脉冲激光瞬间退火技术等，这些工艺过程可完全与有机衬底相兼容，通过这些前后相继的工艺过程，可制备得到高性能的全透明柔性aostft器件。

6）所有各功能层均采用金属氧化物薄膜材料，在可见光区域是透明的，有机衬底也是透明的，因而可制得全透明柔性电子器件，而且全部采用金属氧化物薄膜，也便于工艺制程的融合与协调，有利于提高器件性能，降低生产成本；

7）本发明所述的全透明柔性非晶氧化物薄膜晶体管制备方法，所有制程工艺均在低温下完成，不超过80℃，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。

8）本发明所述的全透明柔性非晶氧化物薄膜晶体管制备方法，解决了该种类型沟道层需要高温退火才能实现高性能和高稳定的技术难题，使其具有非常优异的器件性能。

9）本发明所述的全透明柔性非晶氧化物薄膜晶体管及其制备方法，所涉及的工艺流程主要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。

10）本发明所述的全透明柔性非晶氧化物薄膜晶体管及其制备方法，所采用的脉冲激光瞬间退火技术，在工业上也是成熟的，能够进行产业化操作，易于实现规模化生产。

11）本发明专利所述的全透明柔性非晶氧化物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。

12）本发明所提供的全透明柔性aostft及其制备方法，可为可穿戴、便携式和智能化透明电子技术一种关键材料和技术，在新一代信息电子领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为全透明柔性非晶氧化物半导体薄膜晶体管的器件结构示意图。

其中1为透明有机聚合物衬底，2为衬底保护和气体组隔层al2o3薄膜，3为栅极azo薄膜，4为栅极绝缘层al2o3-zro2复合薄膜，5为沟道层znalmo薄膜，6为源极和漏极azo薄膜，7为封装层al2o3薄膜。

图2为实施例2制得的全透明柔性znalsno薄膜晶体管的转移特性曲线。

具体实施方式

以下结合具体实施例进一步说明本发明。

实施例1

（1）以聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）为有机聚合物衬底，置于ar-n2的混合等离子体气氛中，衬底的正反两面采用等离子体轰击10min，使其表面均形成均匀的凹凸起伏的绒面结构；

（2）将上述经等离子体处理的有机聚合物衬底置于n2-o2混合气氛下，以5℃/min的升温速率加热到60℃，保温20分钟，然后在该加热温度下在衬底的正反两面沉积相同厚度的al2o3薄膜，为衬底保护与气体阻隔层，沉积完成后，自然冷却至室温；

（3）在上述沉积有al2o3薄膜的衬底上，在其正面沉积各功能层薄膜，包括栅极azo薄膜，栅极绝缘层al2o3-zro2复合薄膜，沟道层znalino薄膜，源极和漏极azo薄膜，封装层al2o3薄膜，其中azo和znalino薄膜为室温沉积，al2o3和al2o3-zro2复合薄膜在57℃的温度下沉积，制得aostft器件；

（4）采用脉冲激光加热技术，在ar气氛下，对上述aostft器件进行整体退火处理，激光束斑直径可恰好覆盖单个tft器件，激光功率10mj/cm²，照射时间10ns，脉冲次数1次，在退火过程中，利用al元素的界面扩散来提升各层之间的界面匹配和结合强度，从而得到高性能的aostft器件。

采用上述技术，制备得到的非晶znalino薄膜室温下禁带宽度均大于3.35ev，可见光区域是全透明的。制备得到的全透明柔性非晶znalsno薄膜晶体管，其器件结构如图1所示，1为透明有机聚合物衬底pet，2为衬底保护和气体组隔层al2o3薄膜，3为栅极azo薄膜，4为栅极绝缘层al2o3-zro2复合薄膜，5为沟道层znalino薄膜，6为源极和漏极azo薄膜，7为封装层al2o3薄膜。该全透明柔性非晶znalino薄膜晶体管具有下述性能指标：开关电流比大于10⁷，场效应迁移率高于51cm²/vs，阈值电压0.3~0.9v，亚阈值摆幅小于0.3v/decade；tft器件的可见光透过率大于91%，弯曲5000次后性能基本保持不变。

实施例2

（1）以聚碳酸酯（pc）为有机聚合物衬底，置于ar-n2的混合等离子体气氛中，衬底的正反两面采用等离子体轰击15min，使其表面均形成均匀的凹凸起伏的绒面结构；

（2）将上述经等离子体处理的有机聚合物衬底置于n2-o2混合气氛下，以5℃/min的升温速率加热到80℃，保温30分钟，然后在该加热温度下在衬底的正反两面沉积相同厚度的al2o3薄膜，为衬底保护与气体阻隔层，沉积完成后，自然冷却至室温；

（3）在上述沉积有al2o3薄膜的衬底上，在其正面沉积各功能层薄膜，包括栅极azo薄膜，栅极绝缘层al2o3-zro2复合薄膜，沟道层znalsno薄膜，源极和漏极azo薄膜，封装层al2o3薄膜，其中azo和znalsno薄膜为室温沉积，al2o3和al2o3-zro2复合薄膜在57℃的温度下沉积，制得aostft器件；

（4）采用脉冲激光加热技术，在ar气氛下，对上述aostft器件进行整体退火处理，激光束斑直径可恰好覆盖单个tft器件，激光功率50mj/cm²，照射时间20ns，脉冲次数1次，在退火过程中，利用al元素的界面扩散来提升各层之间的界面匹配和结合强度，从而得到高性能的aostft器件。

采用上述技术，制备得到的非晶znalsno薄膜室温下禁带宽度均大于3.35ev，可见光区域是全透明的。制备得到的全透明柔性非晶znalsno薄膜晶体管，器件结构如图1所示，1为透明有机聚合物衬底pc，2为衬底保护和气体组隔层al2o3薄膜，3为栅极azo薄膜，4为栅极绝缘层al2o3-zro2复合薄膜，5为沟道层znalsno薄膜，6为源极和漏极azo薄膜，7为封装层al2o3薄膜。该全透明柔性非晶znalsno薄膜晶体管的转移特性曲线如图2所示，器件具有下述性能指标：开关电流比大于10⁷，场效应迁移率高于65cm²/vs，阈值电压0.1~0.6v，亚阈值摆幅小于0.2v/decade；tft器件的可见光透过率大于92%，弯曲5000次后性能基本保持不变。