基于有機絕緣層的梯度摻雜IGZO薄膜晶體管及其制備方法與流程

本發明涉及電子技術領域，具體涉及一種基于有機絕緣層的梯度摻雜igzo薄膜晶體管及其制備方法。

背景技術：

平板顯示器(fpd)逐漸替代陰極射線顯示器(crt)，并已經在顯示行業中占主導地位。而薄膜晶體管作為平板顯示器的驅動電路的開關原件，它的性能直接決定著顯示器質量的優劣。在普通的有源驅動液晶顯示器中，一般采用氫化非晶硅薄膜晶體管，但是由于其具有不透明、受可見光影響較大及載流子遷移率低等缺點，限制了其進一步發展。最近幾年由于有機發光二極管(amoled)顯示技術發展要求，傳統的氫化非晶硅已經遠遠達不到有源驅動的要求。

新材料igzo的問世很好得解決了傳統氫化非晶硅的缺點。但由于igzo屬于無機半導體材料，實踐表明，這種igzo半導體沉積在無機絕緣層(比如sio2，si3n4等)能獲得非常好的器件性能。由于這類無機絕緣層不透明、沉積成本比較高、柔韌性差的特點，因此它們在柔性顯示和透明穿戴設備領域的發展欠佳。而利用透明的有機絕緣層則能很好的解決這一問題，不僅可以得到柔性透明器件，而且通過旋涂有機絕緣層的方法大大降低了制作成本。但是由于igzo半導體和有機絕緣層的晶格不匹配，絕緣層和半導體層表面出現很多缺陷，后續直流磁控濺射igzo薄膜對有機絕緣層的破壞，從而導致漏電流比較大。

技術實現要素：

本發明的目的在于：為解決igzo半導體和有機絕緣層的晶格不匹配，從而導致后續直流磁控濺射igzo薄膜對有機絕緣層的破壞，漏電流比較大的問題，本發明提供了一種基于有機絕緣層的梯度摻雜活性層igzo的薄膜晶體管的制備方法。

本發明的技術方案如下：

一種基于有機絕緣層的梯度摻雜igzo薄膜晶體管，包括從下至上依次排列的襯底、柵電極、有機絕緣層、梯度摻雜igzo半導體層，梯度摻雜igzo半導體層上并列設有源電極和漏電極，其中，梯度摻雜igzo半導體層包括濃度依次增大的最下層igzo薄膜、最上層igzo薄膜、中間層igzo薄膜。

進一步地，所述梯度摻雜igzo半導體層的最下層igzo薄膜的氧分壓(o2流量/ar流量)為5％-8％，厚度為1～3nm；中間層igzo薄膜的氧分壓為0％-2％，厚度在2～4nm；最上層igzo薄膜的氧分壓為2％-3％，厚度為30～60nm。

優選地，所述襯底的材料為聚酰亞胺、聚對苯二甲酸乙二醇酯或玻璃基板中的一種。

優選地，所述柵電極為氧化銦錫，柵電極的厚度為150～250nm。

優選地，所述有機絕緣層的材料為聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚碳酸酯、聚苯乙烯中的一種，厚度為100～360nm。

優選地，所述源電極和所述漏電極的材料均為氧化銦錫、氧化鋅、銦鎵鋅氧化物、石墨烯、金屬單質銀、鋁、金中的一種，源電極和所述漏電極的厚度均為100～200nm。

另一方面，本發明提供一種基于有機絕緣層的梯度摻雜igzo薄膜晶體管的制備方法，包括如下步驟：

s1：制備清洗襯底；先用丙酮擦拭襯底表面大的顆粒，然后用弱堿水、丙酮、去離子水、乙醇或異丙醇分別對玻璃襯底進行超聲清洗，最后用氮氣(純度>99.99％)將襯底吹干；

s2：制備柵電極；通過磁控濺射法在s1制備的襯底的表面制備氧化銦錫柵電極；

s3：制備有機絕緣層；通過旋涂的方法在s2制備好的氧化銦錫柵電極上面制備有機絕緣層，然后進行熱退火；

s4：制備梯度摻雜igzo層；采用直流磁控濺射的igzo靶材來制備；制備最下層igzo薄膜時的濺射功率為80～100w；制備中間層igzo薄膜時濺射功率為80～100w；制備最上層igzo薄膜時的濺射功率為150～250w，在制備每一處時，ar流量保持在100sccm，腔體壓強保持在3mtorr。

s5：制備源電極和漏電極：將s4處理后的晶體管放到金屬真空腔中，對其進行退火處理，退火溫度150℃，退火時間30分鐘，再通過真空熱蒸發、磁控濺射、電子束蒸發、絲網印刷、噴涂中的任意一種方法制備源電極和漏電極。

進一步地，s3中，有機絕緣層的材料為聚甲基丙烯酸甲酯，制備時，先將聚甲基丙烯酸甲酯溶于苯甲醚中，聚甲基丙烯酸甲酯與苯甲醚的質量比為10％：90％，旋涂時的旋涂參數為：1800rpm，280nm；退火時的參數為：退火溫度80℃，退火時間30分鐘。

進一步地，，s3中，有機絕緣層的材料為聚乙烯醇，制備時，先將聚乙烯醇溶于去離子水中，聚乙烯醇與離子水的質量比10％：90％；旋涂時的旋涂參數為：2500rpm，300nm；退火時的退火溫度120℃，退火時間30分鐘。

優選地，s4中，igzo靶材的組分及其質量比為in2o3：ga2o3：zno＝1:1:2，純度>99.9999％。

采用上述方案后，本發明的有益效果在于：

(1)本發明提供了一種基于有機絕緣層的梯度摻雜igzo薄膜晶體管及其制備方法，通過在有機絕緣層上面沉積3層組分不同的igzo薄膜，從而來減少濺射過程中對有機絕緣層的破壞，最下層igzo薄膜采用較低的濺射功率80～100w，較高的氧分壓5％-8％，來獲得缺陷較少，表面相對平整的緩沖層，即降低了半導體層與有機絕緣層的界面缺陷，這層最優厚度在1～3nm；中間層igzo薄膜采用較低的濺射功率80～100w，較低的氧分壓0％-2％，來獲得高導電率的溝道，有利于電子的傳輸，這層最優厚度在2～4nm；最上層igzo薄膜采用較高的濺射功率150～250w，氧分壓處于2％-3％，通過調控這層的厚度來精確調控梯度摻雜igzo半導體層的載流子濃度，這層厚度可以在30～60nm之類調控，所得器件性能的開關比最大達到6.2×104，載流子遷移率最大達到4.6cm²v^-1s^-1，通過后續熱退火處理可以進一步降低活性層的缺陷。

(2)該器件采用的有機絕緣層也具有良好的可降解性，能夠在一定程度上解決電子垃圾所帶來的生物污染，在柔性和透明顯示領域具有廣泛的應用前景。

附圖說明

圖1為本發明的基于有機絕緣層的梯度摻雜igzo薄膜晶體管的結構示意圖；

圖2為本發明基于有機絕緣層的梯度摻雜igzo薄膜晶體管實例1的轉移特性曲線；

圖3為本發明基于有機絕緣層的梯度摻雜igzo薄膜晶體管實例2的轉移特性曲線；

圖中標記：1-襯底，2-柵電極，3-有機絕緣層，4-梯度摻雜igzo半導體層，41-最下層igzo薄膜，42-中間層igzo薄膜，43-最上層igzo薄膜，5-源電極，6-漏電極。

具體實施方式

以下將結合附圖對本發明的實施例給出詳細的說明。盡管本發明將結合一些具體實施方式進行闡述和說明，但需要注意的是本發明并不僅僅只局限于這些實施方式。相反，對本發明進行的修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。

實施例1

一種基于有機絕緣層的梯度摻雜igzo薄膜晶體管，其特征在于，包括從下至上依次排列的襯底1、柵電極2、有機絕緣層3、梯度摻雜igzo半導體層4，梯度摻雜igzo半導體層4上并列設有源電極5和漏電極6，其中，梯度摻雜igzo半導體層3包括濃度依次增大的最下層igzo薄膜41、最上層igzo薄膜43、中間層igzo薄膜42。

具體地，襯底1的材料為玻璃；柵電極2的材料為氧化銦錫，柵電極2的厚度為200nm；有機絕緣層3的材料為聚甲基丙烯酸甲酯，厚度為200nm；梯度摻雜igzo半導體層4中，最下層igzo薄膜41的氧分壓為5％，厚度為2nm，中間層igzo薄膜42的氧分壓為1％，厚度為3nm，最上層igzo薄膜43的氧分壓在2％，厚度為50nm；源電極5和漏電極6的材料均為金屬單質銀，厚度均為150nm。在制備igzo薄膜半導體層時，氧分壓的不同會直接導致每一層的摻雜濃度不同。

上述基于有機絕緣層的梯度摻雜igzo薄膜晶體管的制備方法包括如下步驟：

s1：ito玻璃基片的清洗,ito玻璃基片為襯底1；先用無塵布沾上丙酮擦拭玻璃基片表面去除大顆粒的污漬和灰塵，然后分別將擦拭后的玻璃基片放在聚四氟乙烯基片架上，對其分別加入丙酮、去離子水、異丙醇進行超聲清洗，每次超聲清洗的時間為15分鐘，最后用氮氣(純度>99.99％)將襯底吹干。

s2：制備柵電極2；通過磁控濺射法在s1制備的襯底1的表面制備氧化銦錫柵電極2；

s3：制備有機絕緣層3，材料為聚甲基丙烯酸甲酯；將有機絕緣材料聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)溶于苯甲醚中，質量比10％：90％，將混合后的溶液放在磁力攪拌器中攪拌24小時后通過旋涂的方法進行制備，旋涂轉速為：1800rpm，旋涂時間為：1分鐘，退火溫度80℃，退火時間30分鐘。

s4：制備梯度摻雜igzo層4；采用直流磁控濺射的igzo靶材來制備；制備最下層igzo薄膜41時的濺射功率為80w；制備中間層igzo薄膜42時濺射功率為100w；制備最上層igzo薄膜43時的濺射功率為250w，在制備每一層時，ar流量保持在100sccm，腔體壓強保持在3mtorr。

s5：制備源電極5和漏電極6：將s4處理后的晶體管放到金屬真空腔中，對其進行退火處理，退火溫度150℃，退火時間30分鐘，再通過真空熱蒸發法、制備源電極5和漏電極6。

如圖2所示，采用上述方法制備的基于有機絕緣層的梯度摻雜igzo薄膜晶體管測試的性能如下：載流子遷移率μ＝2.5cm2v-1s-1，開關比為6.2×104，可見，器件性能較為穩定。

實施例2

一種基于有機絕緣層的梯度摻雜igzo薄膜晶體管，其特征在于，包括從下至上依次排列的襯底1、柵電極2、有機絕緣層3、梯度摻雜igzo半導體層4，梯度摻雜igzo半導體層4上并列設有源電極5和漏電極6，其中，梯度摻雜igzo半導體層3包括濃度依次增大的最下層igzo薄膜41、最上層igzo薄膜43、中間層igzo薄膜42。

具體地，襯底1的材料為玻璃；柵電極2的材料為氧化銦錫，柵電極2的厚度為200nm；有機絕緣層3的材料為聚乙烯醇，厚度為200nm；梯度摻雜igzo半導體層4中，最下層igzo薄膜41的氧分壓為4％，厚度為2nm，中間層igzo薄膜42的氧分壓為0％，厚度為3nm，最上層igzo薄膜43的氧分壓在2％，厚度為50nm；源電極5和漏電極6的材料均為金屬單質銀，厚度均為150nm。

上述基于有機絕緣層的梯度摻雜igzo薄膜晶體管的制備方法包括如下步驟：

s1：ito玻璃基片的清洗,ito玻璃基片為襯底1；先用無塵布沾上丙酮擦拭玻璃基片表面去除大顆粒的污漬和灰塵，然后分別將擦拭后的玻璃基片放在聚四氟乙烯基片架上，對其分別加入丙酮、去離子水、異丙醇進行超聲清洗，每次超聲清洗的時間為15分鐘，最后用氮氣(純度>99.99％)將襯底吹干。

s2：制備柵電極2；通過磁控濺射法在s1制備的襯底1的表面制備氧化銦錫柵電極2；

s3：制備有機絕緣層3，材料為聚甲基丙烯酸甲酯；將有機絕緣材料聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)溶于苯甲醚中，質量比10％：90％，將混合后的溶液放在磁力攪拌器中攪拌24小時后通過旋涂的方法進行制備，旋涂轉速為：2500rpm，旋涂時間為：1分鐘，退火溫度120℃，退火時間30分鐘。

s4：制備梯度摻雜igzo層4；采用直流磁控濺射的igzo靶材來制備；制備最下層igzo薄膜41時的濺射功率為80w；制備中間層igzo薄膜42時濺射功率為100w；制備最上層igzo薄膜43時的濺射功率為250w，在制備每一層時，ar流量保持在100sccm，腔體壓強保持在3mtorr。

s5：制備源電極5和漏電極6：將s4處理后的晶體管放到金屬真空腔中，對其進行退火處理，退火溫度150℃，退火時間30分鐘，再通過真空熱蒸發法、制備源電極5和漏電極6。

如圖3所示，采用上述方法制備的基于有機絕緣層的梯度摻雜igzo薄膜晶體管測試的性能如下：載流子遷移率μ＝4.6cm2v-1s-1，開關比為3×104，可見，器件性能較為穩定。

上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然，在不脫離權利要求書所界定的本發明精神和發明范圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本領域技術人員應該理解，本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、布局、比例、材料、元素、組件及其它方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅用于說明而非限制，本發明之范圍由后附權利要求及其合法等同物界定，而不限于此前之描述。