一種薄膜晶體管及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及薄膜晶體管的制備技術(shù)，具體涉及一種薄膜晶體管及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]薄膜晶體管(Thing Film Transistor (TFT))廣泛應(yīng)用于在平板顯示、電子紙、傳感器、智能卡等領(lǐng)域。按其有源溝道層材料的不同，薄膜晶體管包括無(wú)機(jī)薄膜晶體管和有機(jī)薄膜晶體管兩大類(lèi)。無(wú)機(jī)薄膜晶體管具有較好的器件性能，但其制備工藝較有機(jī)的復(fù)雜、成本較高、柔韌性不佳且一般需要經(jīng)歷高溫制備，對(duì)滿足目前快速發(fā)展的低成本、超薄大面積柔性電子器件的需要有很大難度，例如柔性平板顯示器，可穿戴設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)傳感器等。與無(wú)機(jī)薄膜晶體管相比，有機(jī)薄膜晶體管有其特有優(yōu)點(diǎn):1)制造工藝簡(jiǎn)單，可采用旋涂、印刷及真空蒸鍍的方法，故成本低，并可以在室溫下加工，這使其可以直接沉積在塑料襯底上；2)柔韌性好，進(jìn)行適度的扭曲或彎曲，器件的光電特性沒(méi)有顯著的改變；3)材料的范圍廣；4)透明度好。因此，有機(jī)薄膜晶體管在需要低成本、超薄、大面積的柔性電子器件的領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，引起了越來(lái)越多的著名大公司和科研機(jī)構(gòu)的注意。但是其低的載流子迀移率(一般小于Icm2/Vs) —直是有機(jī)TFT的難題。目前，雖有報(bào)道稱(chēng)單晶OTFT的迀移率可達(dá)5cm2/Vs-10cm2/Vs，但實(shí)現(xiàn)很困難，也很少見(jiàn)。有機(jī)半導(dǎo)體低的迀移率使其難以滿足高速器件的驅(qū)動(dòng)要求，嚴(yán)重制約了在高性能電子器件中的應(yīng)用。因此，就需要一種既能像無(wú)機(jī)TFT那樣滿足高性能器件的驅(qū)動(dòng)要求又同時(shí)兼具有機(jī)TFT低成本柔性襯底上大面積制備能力的新型場(chǎng)效應(yīng)材料及其薄膜晶體管。近年來(lái)，某些有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合型鈣鈦礦材料，例如碘化鉛甲胺等已在太陽(yáng)電池中得到了很好的應(yīng)用并取得了飛速發(fā)展。有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合型鈣鈦礦太陽(yáng)電池于2009年第一次被報(bào)道，當(dāng)時(shí)的效率只有3.8%，但隨后提升速度驟升，最新報(bào)道已超過(guò)20%。它飛速的發(fā)展要?dú)w功于這種太陽(yáng)電池的核心一有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合鈣鈦礦型的吸光材料，這種材料一般是具有鈣鈦礦晶型的有機(jī)金屬鹵化物例如碘化鉛甲胺和碘化錫甲胺等。在這種鈣鈦礦ABX3結(jié)構(gòu)中，A為甲胺基，B為金屬原子(一般為鉛和錫)，X為氯、溴、碘等鹵素原子。
[0003]探宄這種有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合鈣鈦礦型太陽(yáng)電池之所以能取得良好性能的原因，一方面在于這種有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合型鈣鈦礦材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)可見(jiàn)光和部分近紅外光的吸收，提高光吸收率，另一個(gè)更重要的原因在于:這種有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合型鈣鈦礦材料具有較長(zhǎng)可達(dá)Iym的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度，比有機(jī)半導(dǎo)體大得多(10-80nm)。更值得注意的是，其空穴和電子具有相近的擴(kuò)散長(zhǎng)度，因此，光生載流子的快速分離將減少?gòu)?fù)合，能量損失小，不會(huì)產(chǎn)生空間電荷限制光電流，這正是有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的重要原因。由近期對(duì)若干鈣鈦礦材料迀移率測(cè)量研宄表明，它具有近乎高達(dá)幾十至上百厘米方/伏秒的霍耳迀移率，而這些性能正是高性能薄膜晶體管有源溝道層所需要的。故我們認(rèn)為，這種適用于太陽(yáng)電池的有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合型鈣鈦礦材料應(yīng)該也會(huì)是高性能薄膜晶體管所需要的高性能有源溝道材料。
[0004]本發(fā)明將有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合鈣鈦礦材料用于薄膜晶體管中的溝道層，利用其無(wú)機(jī)成分通過(guò)強(qiáng)烈的共價(jià)鍵或離子鍵相互作用構(gòu)成混合物的基本骨架以提供高迀移率的載流子；有機(jī)成分則使該材料具有分子自組裝能力，能像聚合物材料一樣在室溫下溶解，同時(shí)也為載流子的自由運(yùn)動(dòng)提供分子軌道。因此，這種新型的有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合鈣鈦礦溝道的薄膜晶體管應(yīng)該既具有較高的載流子迀移率，又能像有機(jī)薄膜晶體管那樣能以旋涂、印刷、真空蒸鍍等簡(jiǎn)單、低成本、低溫的方式制備，從而具備柔性襯底上大面積的直接制備能力。這種新型的薄膜晶體管將在平板顯示、傳感器、智能卡、及柔性電子器件中有廣闊的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)上述存在問(wèn)題，提供一種薄膜晶體管及其制備方法，該薄膜晶體管以有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合鈣鈦礦薄膜為有源溝道層，具有較高的載流子迀移率，又能像有機(jī)薄膜晶體管那樣能以旋涂、印刷、真空蒸鍍等簡(jiǎn)單、低成本、低溫的方式制備，從而具備柔性襯底上大面積的直接制備能力。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0007]一種薄膜晶體管，由襯底、柵電極、柵絕緣層、有源溝道層和源漏電極疊加組成，其中有源溝道層為有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合鈣鈦礦薄膜，各層薄膜的厚度為:柵電極Ιμπκ柵絕緣層200-400nm、有源溝道層200_300nm、源漏電極I μπι。
[0008]一種所述薄膜晶體管的制備方法，步驟如下:
[0009]I)在襯底上采用掩膜版直接蒸鍍法、蒸鍍后光刻圖形法、旋涂法或印刷法制備柵電極；
[0010]2)在上述制備柵電極的襯底上采用旋涂法制備柵絕緣層，旋涂條件為:2000-4000r/min、30-40s,然后在 50_100°C溫度下退火 1-3 小時(shí)；
[0011]3)在柵絕緣層上采用旋涂法旋涂有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合鈣鈦礦薄膜作為有源溝道層，旋涂條件為:3000-6000r/min、25-40s，然后在 50_100°C溫度下退火 45_90min ；
[0012]4)在上述有源溝道層上制備源漏電極。
[0013]所述襯底為玻璃或單晶硅片；柵電極為ITO或FTO ;柵絕緣層材料為氮化硅、氧化硅、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯醇；有源溝道層為CH3NH3PbI3XH3NH3PbI3-{、或CH 3NH3SnI3;源漏電極為金、鋁或銀薄膜。
[0014]將有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合鈣鈦礦材料應(yīng)用于薄膜晶體管溝道層，通過(guò)器件結(jié)構(gòu)、工藝流程的設(shè)計(jì)，期望得到一種能滿足高速器件驅(qū)動(dòng)要求的高性能薄膜晶體管，同時(shí)又具備簡(jiǎn)單、低成本及柔性襯底上的大面積直接制備能力。這種新型的薄膜晶體管將在平板顯示、傳感器、智能卡、及柔性電子器件中有廣闊的應(yīng)用前景。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:該薄膜晶體管將有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合鈣鈦礦材料用于薄膜晶體管的有源溝道層，結(jié)合了無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的高迀移率和有機(jī)半導(dǎo)體的柔韌、便宜，低溫易制備等優(yōu)點(diǎn)，既具有比有機(jī)薄膜晶體管更高的驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)又兼具簡(jiǎn)單、低成本及易于在柔性襯底上的大面積制備的能力；其制備方法簡(jiǎn)單易行，有利于工業(yè)化應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1 為 CH3NH3PbI3薄膜的 XRD 圖。
[0017]圖2為制備的CH3NH3PbI3為溝道層的薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線(Vds= -5v與Vds = -20v)。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明的制備方法及產(chǎn)品應(yīng)用做出詳細(xì)說(shuō)明。
[0019]實(shí)施例:
[0020]一種薄膜晶體管，由襯底、柵電極、柵絕緣層、有源溝道層和源漏電極疊加組成，其中有源溝道層為有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合鈣鈦礦薄膜，各層薄膜的厚度為:柵電極Ιμπκ柵絕緣層260nm、有源溝道層200nm、源漏電極I μπι;其制備步驟如下:
[0021]I)在玻璃襯底上采用掩膜版直接蒸鍍法制備ITO柵電極，工藝條件為:壓力lXl(T3pa、電流 100mA、蒸鍍時(shí)間 1min ；
[0022]2)在上述制備柵電極的玻璃襯底上采用旋涂法制備PMMA柵絕緣層，旋涂條件為:轉(zhuǎn)數(shù)2000r/min、旋涂時(shí)間30s，然后在100°C溫度下退火I小時(shí)；
[0023]3)在柵絕緣層上采用旋涂法旋涂CH3NH3PbI3薄膜作為有源溝道層，旋涂條件為:轉(zhuǎn)數(shù)3000r/min、旋涂時(shí)間25s，然后在100°C溫度下退火I小時(shí)；
[0024]圖1為CH3NH3PbI3薄膜的XRD圖，圖中可見(jiàn)出現(xiàn)了明顯的晶化峰，且分別在2 Θ =13.98°、28.32°、31.74°處對(duì)應(yīng)出現(xiàn)(110)、(220)和(310)三個(gè)主要晶向，表明材料的四方晶體鈣鈦礦結(jié)構(gòu)以及良好的結(jié)晶情況，初步制備了 CH3NH3PbI3$道層的TFT器件；
[0025]4)在上述有源溝道層上采用掩膜版真空蒸鍍銀，真空蒸鍍條件為:壓力lXl(T3pa、電流100mA、蒸鍍1min制備源漏電極。
[0026]圖2為制備的CH3NH3PbI3為溝道層的薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線(Vds= -5v與Vds = -20v)，圖中表明:溝道電流隨施加偏壓的增加而增加并趨于飽和，Vds = -5V時(shí)，開(kāi)啟電壓約為-0.5V，開(kāi)關(guān)比為104，顯示出明顯的場(chǎng)效應(yīng)特點(diǎn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種薄膜晶體管，其特征在于:由襯底、柵電極、柵絕緣層、有源溝道層和源漏電極疊加組成，其中有源溝道層為有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合鈣鈦礦薄膜，各層薄膜的厚度為:柵電極Iμ m、柵絕緣層200-400nm、有源溝道層200_300nm、源漏電極I μπι。
2.一種如權(quán)利要求1所述薄膜晶體管的制備方法，其特征在于步驟如下: 1)在襯底上采用掩膜版直接蒸鍍法、蒸鍍后光刻圖形法、旋涂法或印刷法制備柵電極； 2)在上述制備柵電極的襯底上采用旋涂法制備柵絕緣層，旋涂條件為:2000-4000r/min、30-40s，然后在50_100°C溫度下退火1-3小時(shí)； 3)在柵絕緣層上采用旋涂法旋涂有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合鈣鈦礦薄膜作為有源溝道層，旋涂條件為:3000-6000r/min、25-40s，然后在 50_100°C溫度下退火 45_90min ； 4)在上述有源溝道層上制備源漏電極。
3.權(quán)利要求2所述薄膜晶體管的制備方法，其特征在于:所述襯底為玻璃或單晶硅片；柵電極為ITO或FTO ;柵絕緣層材料為氮化硅、氧化硅、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯醇；有源溝道層為CH3NH3PbI3、CH3NH3PbI3〃(^或CH 3NH3SnI3;源漏電極為金、鋁或銀薄膜。
【專(zhuān)利摘要】一種薄膜晶體管，由襯底、柵電極、柵絕緣層、有源溝道層和源漏電極疊加組成，其中有源溝道層為有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合鈣鈦礦薄膜，各層薄膜的厚度為：柵電極1μm、柵絕緣層200-400nm、有源溝道層200-300nm、源漏電極1μm。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：該薄膜晶體管將有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合鈣鈦礦材料用于薄膜晶體管的有源溝道層，結(jié)合了無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的高遷移率和有機(jī)半導(dǎo)體的柔韌、便宜，低溫易制備等優(yōu)點(diǎn)，既具有比有機(jī)薄膜晶體管更高的驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)又兼具簡(jiǎn)單、低成本及易于在柔性襯底上的大面積制備的能力；其制備方法簡(jiǎn)單易行，有利于工業(yè)化應(yīng)用。
【IPC分類(lèi)】H01L29-12, H01L29-786
【公開(kāi)號(hào)】CN104766893
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510184202
【發(fā)明人】李娟 , 張建軍, 吳玉祥, 熊紹珍, 蔡宏琨, 倪牮, 杜陽(yáng)陽(yáng)
【申請(qǐng)人】南開(kāi)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月8日
【申請(qǐng)日】2015年4月17日