[实用新型]一种基于二维半导体材料薄膜晶体管

说明书

本实用新型隶属于微电子器件领域，公开了一种利用溶液法制备的可应用于大规模柔性集成电路的高性能薄膜晶体管。该薄膜晶体管器件以柔性材料(如PI、PET等等)为基底，在上面设置有利用电子束蒸发制备的电极以及基于溶液法制备的绝缘层与二维材料半导体层。其中电极分为栅、源、漏三电极，材料为氮化钛与钛金属结合(TiN/Ti)，并且利用光刻剥离工艺将栅极图案化。绝缘层成份为水溶液法制备的氧化铝(Al2O3)纳米簇材料，并且在制备中通过双氧水处理来减少氧空位缺陷，起到提高整个器件性能的作用。半导体层为二硫化钨(WS2)二维材料，其结构为原子级纳米薄层结构，这种结构可以为电子传输提供优异的通道，从而提高器件的电学性能。

技术领域

本实用新型涉及微电子技术领域，具体是一种基于二维半导体材料的薄膜晶体管及其制备方法。

背景技术

近些年来，包括有源矩阵液晶显示器(AMLCD)与有源矩阵有机发光二极体(AMOLED)的平板显示器(FPD)在提高分辨率、屏幕面积与降低功耗方面的需求与日俱增。薄膜晶体管(TFT)是FPD在生产应用中的关键器件。传统半导体的载流子迁移率受材料本身特性所限，往往比较低(如非晶硅，a-Si，的迁移率约为1cm²V^-1s^-1)，不利于电子在器件工作时的传输。作为改进器件性能的半导体材料，近些年来，具有原子级厚度的二维层状纳米材料(下简称二维材料)如石墨烯、二硫化钼(MoS₂)如二硫化钨(WS₂)等等由于其超高的载流子迁移率、高电子饱和速度和高热导率等优点吸引了大量研究人员的关注。而在其中WS₂除了拥有较好的电学性能外，其价格相比于其它材料也显著降低，因此WS₂在TFT制备领域具有很好的应用前景。

目前，二维材料半导体层的制备工艺主要为光刻和金线掩膜两种。光刻工艺较为复杂，成本较高；金线掩膜技术虽然工艺简单，但是当一块衬底上同时有多片二维材料时，采用金线掩膜技术则只能选择其中一片二维材料来制备器件，因此成品率不高，不适宜大规模生产。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种薄膜晶体管，能满足大批量低成本的工业化生产需求。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型第一方面提供基于二维半导体材料的薄膜晶体管，结构为底栅顶接触型，包括由下至上的六个部分：柔性衬底、栅电极、绝缘层、半导体层以及源、漏电极，所述栅电极位于柔性衬底上，且只覆盖了部分的柔性衬底，所述半导体层为二维结构WS₂层；源电极和漏电极分别位于半导体层上且位于薄膜晶体管的最顶层。

本实用新型优选技术方案中，所述柔性衬底为柔性透明绝缘材料，选自PI、PET或PEN，厚度为100μm。

本实用新型优选技术方案中，栅电极为TiN/Ti叠层图案化栅电极，优选为电子束蒸发工艺制备得到。

本实用新型优选技术方案中，所述绝缘层为Al₂O₃纳米簇结构，优选为水溶液法制备，并在制备过程中添加过氧化氢进行处理，该层厚度为30nm左右。Al₂O₃纳米簇结构薄膜相比于传统的溶液法Al₂O₃薄膜具有更质密的结构，可提高绝缘层的均匀性以及减少其中的缺陷能级。

所述半导体层优选为以溶液法制备的二维结构WS₂半导体层；厚度为5nm。

其中，所述绝缘层和半导体层均为溶液旋涂后，再用紫外照射处理后，退火成膜得到，具体为：在波长为253.7nm(90％)与184.9nm(10％)的紫外线灯照射下，以110℃的温度退火一个小时成膜制备得到。

所述薄膜晶体管衬底以及绝缘层皆为疏水材料，旋涂上层溶液时皆需要利用紫外灯照射工艺来改善亲水性。