基於PET柔性襯底的背柵黑磷場效應電晶體及製備方法與流程

2023-10-17 19:30:39

技術領域

本發明涉及一種電晶體領域，特別是一種基於PET柔性襯底的背柵黑磷場效應電晶體及製備方法。

背景技術：

黑磷自被發現以來，以其優異的性能引起了研究者們的極大關注。尤其是高遷移率的特點使其成為射頻器件的關鍵材料。眾所周知，當二維黑磷材料厚度小於7.5nm時，其漏電流調製幅度為105量級，I-V特徵曲線展現出良好的電流飽和效應。電晶體電荷載流子遷移率還呈現出厚度依賴性，當二維黑磷厚度10nm時，獲得最高的遷移率~1,000cm2V-1s-1，由此表明二維黑磷場效應電晶體具有極高的應用潛力，而常規的場效應電晶體大部分是基於硬質材料如單晶矽等，也有部分採用柔性效應電晶體的，但是存在步驟複雜，成本較高，難以實現柔性化電子器件的大批量、低成本的優勢。

技術實現要素：

本發明的目的在於，提供一種基於PET柔性襯底的背柵黑磷場效應電晶體及製備方法。本發明不僅保證具有良好的輸出特性的性能，而且工藝易於控制，成本低。

本發明的技術方案：基於PET柔性襯底的背柵黑磷場效應電晶體，其特徵在於：包括依次設置的PET柔性襯底、Au柵電極、HfO2絕緣層和黑磷薄片；黑磷薄片上設有Au漏電極和Au源電極，所述PET柔性襯底與Au柵電極之間設有PDMS層，Au柵電極與HfO2絕緣層之間設有TiO2緩衝層。

前述的基於PET柔性襯底的背柵黑磷場效應電晶體中，所述PDMS層的厚度為1-2μm。

前述的基於PET柔性襯底的背柵黑磷場效應電晶體中，所述Au柵電極的厚度為95-105 nm。

前述的基於PET柔性襯底的背柵黑磷場效應電晶體中，所述TiO2緩衝層的厚度為1-2nm。

前述的基於PET柔性襯底的背柵黑磷場效應電晶體中，所述HfO2絕緣層的厚度為28-32nm 。

前述的基於PET柔性襯底的背柵黑磷場效應電晶體的製備方法，其特徵在於：按下述步驟進行：

A、用超聲清洗PET柔性襯底上表面，在其上表面旋塗一層PDMS並加熱以獲得光滑表面；

B、用電子束蒸鍍儀在光滑表面上蒸鍍一層Au形成Au柵電極；

C、在Au柵電極上表面通過電子束蒸鍍儀蒸鍍一層Ti，然後放入烘乾機通入O2加熱氧化以獲得TiO2緩衝層；

D、在TiO2緩衝層上表面通過採用原子層沉積方法獲得一層HfO2絕緣層；

E、通過機械剝離法獲得黑磷薄片作為電晶體的半導體層，並轉移到HfO2絕緣層上表面上；

F、在黑磷薄片上列印兩個Au電極作為Au源電極、Au漏電極。

與現有技術相比，本發明通過將黑鱗和PET柔性襯底這兩種極具潛力的材料相結合，通過多種原料層的配合，綜合體現出材料各自的優點並相互彌補不足。本發明具有良好的輸出特性等性能，製備方法效率高，能避免蒸鍍金屬對二維材料的損傷，易於控制，工藝成熟，重複性好，且成本低，能實現大批量生產。

本發明的PET柔性襯底可用於柔性可穿戴設備上，因為PET襯底表面不平無法直接蒸鍍Au做刪電極，所以要旋塗一層PDMS，它有兩個作用：1、作為過渡層獲得平整的光滑表面；2、可以當粘附劑使Au與材料緊密貼合。由於Au柵電極密度大，不能直接在其上表面蒸鍍HfO2，所以需要先在Au柵電極上表面蒸鍍一層密度較小的Ti進行氧化生成TiO2作為緩衝層，而且TiO2的介電係數高是很合適的材料。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖；

圖2是基於PET柔性襯底的背柵黑磷場效應電晶體的柔性PET襯底；

圖3是在PET柔性襯底上表面旋塗一層PDMS示意圖；

圖4是在PDMS的光滑上表面上蒸鍍一層Au作為柵極示意圖；

圖5是在柵極上表面蒸鍍一層Ti並通氧氣加熱氧化生成TiO2示意圖；

圖6是在TiO2上表面用原子層沉積技術沉積一層HfO2作為絕緣層示意圖；

圖7是轉移黑磷薄片作為半導體層示意圖；

圖8是在黑磷薄片上列印兩個Au電極作為源電極、漏電極示意圖。

附圖中的標記為：1- PET柔性襯底，2- PDMS層，3- Au柵電極，4- TiO2緩衝層，5- HfO2絕緣層，6-黑磷薄片，7- Au漏電極，8- Au源電極。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明，但並不作為對本發明限制的依據。

實施例。基於PET柔性襯底的背柵黑磷場效應電晶體，構成如圖1所示，包括依次設置的PET柔性襯底1、Au柵電極3、HfO2絕緣層5和黑磷薄片6；黑磷薄片6上設有Au漏電極7和Au源電極8，所述PET柔性襯底1與Au柵電極3之間設有PDMS層2，Au柵電極3與HfO2絕緣層5之間設有TiO2緩衝層4。

所述PDMS層2的厚度為1-2μm。所述Au柵電極3的厚度為95-105 nm。所述TiO2緩衝層4的厚度為1-2nm。所述HfO2絕緣層5的厚度為28-32nm 。

所述的基於PET柔性襯底的背柵黑磷場效應電晶體的製備方法，按下述步驟進行：

A、用超聲清洗PET柔性襯底上表面，在其上表面旋塗一層PDMS並加熱以獲得光滑表面；

B、用電子束蒸鍍儀在光滑表面上蒸鍍一層Au形成Au柵電極；

C、在Au柵電極上表面通過電子束蒸鍍儀蒸鍍一層Ti，然後放入烘乾機通入O2加熱氧化以獲得TiO2緩衝層；

D、在TiO2緩衝層上表面通過採用原子層沉積方法獲得一層HfO2絕緣層；

E、通過機械剝離法獲得黑磷薄片作為電晶體的半導體層，並轉移到HfO2絕緣層上表面上；

F、在黑磷薄片上列印兩個Au電極作為Au源電極、Au漏電極。

HfO2是電晶體的絕緣層，黑磷薄片是電晶體的半導體層。

如圖2-8所示，具體可如下進行製備：

1、準備PET柔性襯底，用超聲清洗乾淨；

2、在PET柔性襯底的潔淨上表面上旋塗一層1-2μm厚的PDMS，並放在烘乾機裡在80°C下烘烤3小時以獲得光滑上表面，如圖3所示；

3、用電子束蒸鍍儀在PDMS光滑上表面上蒸鍍一層100 nm厚的Au作為柵電極，如圖4所示；

4、用電子束蒸鍍儀在Au層上表面蒸鍍一層1-2nm厚的Ti，並放入烘乾機通入O2，在200℃下氧化1h形成TiO2緩衝層，如圖5所示；

5、用原子層沉積技術在TiO2緩衝層的上表面沉積一層30nm厚的HfO2作為電晶體絕緣層，如圖6所示；

6、通過機械剝離法獲得40-50nm厚的黑磷薄片，並轉移至HfO2絕緣層上，隨後放入烘乾機內，在90℃下烘烤1h再撕膠帶以作為電晶體半導體層，如圖7所示；

7、採用材料沉積噴墨列印系統在黑磷薄片上列印兩個Au電極作為電晶體的漏電極和源電極，如圖8所示。

使得基於PET柔性襯底的背柵黑磷場效應電晶體具有良好的輸出特性等性能，能避免蒸鍍金屬對二維材料的損傷。