CN109285915B - 一种柔性瞬态硅薄膜光电晶体管及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性瞬态硅薄膜光电晶体管，主要解决现有光电晶体管不具有柔性可穿戴与瞬态可降解性的问题，其自下而上包括衬底(1)、粘附层(2)、硅薄膜活性层(3)、金属电极(5)、二氧化硅钝化层(6)，其中衬底(1)采用柔性瞬态氧化铟锡/聚乳酸衬底；硅薄膜活性层(3)与金属电极(5)之间设有二氧化钛***层(4)，以改善源漏极的欧姆接触；二氧化硅钝化层(6)上淀积有氧化锌种子层(7)，为氧化锌纳米线的生长提供成核位置；氧化锌种子层(7)上生长有氧化锌纳米线(8)，以减少光的反射，增加大角度入射光的吸收。本发明具有柔性和瞬态溶解的特性，可用于光通讯、物体检测、光耦合及柔性可穿戴与瞬态自销毁。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电器件领域，特别涉及一种柔性瞬态硅薄膜光电晶体管，可用于光通讯、物体检测、光耦合及柔性可穿戴与瞬态自销毁。
技术背景
当今社会，柔性瞬态电子技术正在改变人们制造和使用电子器件的方式。许多现有的应用场合，如人体可植入电子器件，就需要良好的柔性与瞬态可控的降解性，只有满足这两种特性的器件才可以在人体复杂的环境中正常工作，并在其完成任务之后自然降解，以避免对人体的伤害。再比如，军事领域中，经常有在战场上遗留下具有核心技术的武器芯片被敌方获取而泄密的事件发生，为了避免核心技术被敌方窃取，美国国防部高级研究计划局于2013年启动了“消失可编程资源”(Vanishing Programmable Resources，VAPR)项目开发出可自行降解的革命性电子器件。柔性瞬态电子技术正在推动诸多领域的进步，为许多未来的应用，例如生物电子、电子皮肤和物联网等应用打下了坚实的基础,也吸引了各国政府和工业界的广泛关注与持续性资金投入。柔性瞬态电子技术在过去的几年中从纳米结构的器件到电子印刷的电路得到了显著的发展，且具有柔性的无机半导体薄膜的出现促进了高性能电子器件的制造与发展。然而，由于工艺技术与柔性瞬态衬底材料的限制，现行的柔性瞬态器件的制备在大多数情况下需在≤150℃条件下完成，而在低温工艺下晶体管难以形成良好的欧姆接触。
光电晶体管是许多光电***中的关键器件。在许多重要领域如空间通信、航空航天、质量监控、火焰监测、工业质量控制、光学成像、光电电路、军事监控等有着重要的作用。因单晶硅的迁移率较高，对400-1100nm的波长具有良好的响应，且成本低廉，而被普遍用于的光电晶体管的制作。然而利用其制作的光电晶体管由于平整光滑的表面会反射掉很大部分的光，并且可能根本无法获取大角度入射的光，从而一定程度上限制了它的应用。为了克服这个问题，人们进行了关于无机半导体纳米结构的研究，如：ZnS、InSe、CdS、CdSe以及金属氧化物半导体如ZnO、CeO2、V2O5，其中氧化锌具有瞬态可降解特性，且用其制作而成的氧化锌纳米线可以有效减少光的反射，并增加大角度入射光的吸收。如果将具有光减反、可降解特性的氧化锌纳米线应用在硅薄膜光电晶体管的制作中，即可解决上述问题，减少光的反射，并增加大角度入射光的吸收。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种柔性瞬态硅薄膜光电晶体管及制作方法，以改善低温工艺下晶体管的欧姆接触；减少光的反射，并增加大角度入射光的吸收。
为实现上述目的，本发明柔性瞬态硅薄膜光电晶体管，自下而上包括：柔性瞬态衬底、粘附层、硅薄膜活性层、金属电极、二氧化硅钝化层，其特征在于：
在硅薄膜活性层与金属电极之间设有二氧化钛***层，以改善源漏极的欧姆接触；
在二氧化硅钝化层上淀积有氧化锌种子层，以为氧化锌纳米线的生长提供成核位置，促进氧化锌纳米线的生长；
在氧化锌种子层上生长有氧化锌纳米线，以减少光的反射，并增加大角度入射光的吸收。
进一步，所述二氧化钛***层的厚度为0.5-1nm。
进一步，所述氧化锌种子层的厚度为100-200nm。
进一步，所述氧化锌纳米线的直径为40-60nm，高度为500-800nm，密度为1.0×1011cm-2～1.2×1011cm-2的稠密排布的圆柱体。
为实现上述目的，本发明制作柔性瞬态硅薄膜光电晶体管的制作方法，包括如下步骤：
1)采用旋涂工艺，在柔性瞬态衬底上旋涂厚度为1-1.5μm的SU-8光刻胶形成粘附层；
2)采用转印技术，在粘附层上转印厚度为190-200nm的单晶硅薄膜作为有源层；
3)采用光刻工艺，在硅薄膜上光刻出源漏电极的图形；
4)采用原子层沉积工艺，在90℃温度条件与氮气氛围下，在硅薄膜上沉积0.5-1nm厚的二氧化钛***层；
5)采用电子束蒸发工艺，在二氧化钛***层上淀积100-110nm厚的金属钛；
6)采用剥离工艺，将淀积完金属钛的样品放入丙酮溶液中超声1min，去除硅薄膜上的光刻胶以及多余的二氧化钛和金属钛，形成具有二氧化钛***层的源漏电极；
7)采用电子束蒸发工艺，在硅薄膜上淀积100-200nm厚的二氧化硅钝化层；
8)采用磁控溅射***，在二氧化硅钝化层上溅射厚度为100-200nm氧化锌光种子层；
9)采用低温混合溶液生长法，在氧化锌种子层表面生长直径为40-60nm，高度为500-800nm，密度为1.0×1011cm-2-1.2×1011cm-2的氧化锌纳米线，完成光电晶体管的制作。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.本发明由于使用柔性瞬态衬底与瞬态可降解的氧化锌种子层与氧化锌纳米线，使得制备的柔性光电晶体管具有自底部和顶部同时发生降解的特性，从而可实现柔性可穿戴以及瞬态自销毁的应用前景。
2.本发明由于在硅薄膜活性层与金属电极之间设有二氧化钛***层，可有效抑制n型硅的费米能级钉扎效应，且0.5-1nm的二氧化钛中有较多的氧空位，使得二氧化钛的导电能力更强，从而改善了源漏极的欧姆接触；
3.本发明由于在二氧化硅钝化层上淀积有氧化锌种子层，为氧化锌纳米线的生长提供成核位置，促进了氧化锌纳米线的生长；
4.本发明由于在氧化锌种子层上生长有氧化锌纳米线，形成了表面减反纳米结构，减少了光的反射，并增加了大角度入射光的吸收。
附图说明
图1是本发明器件的结构图；
图2是本发明器件的制作流程示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明基于柔性瞬态硅薄膜光电晶体管包括：衬底1、粘附层2、硅薄膜活性层3、二氧化钛***层4、金属电极5、二氧化硅钝化层6、氧化锌种子层7、氧化锌纳米线8。其中：
衬底1采用柔性瞬态氧化铟锡/聚乳酸衬底，氧化铟锡厚度为100-125nm，聚乳酸的厚度为200-280μm，且氧化铟锡作为晶体管的栅极，聚乳酸起支撑作用；粘附层2采用厚度为1-1.5μm的SU-8光刻胶，位于衬底1的上部，用于对硅薄膜与柔性瞬态衬底进行粘合，并作为光电晶体管的栅介质；硅薄膜活性层3作为器件的有源层，其厚度为190-200nm，磷掺杂浓度为1015cm-3，晶向为<100>，位于粘附层2的上部；二氧化钛***层4的厚度为0.5-1nm，其位于硅薄膜活性层3与金属电极5之间，以改善源漏极的欧姆接触；金属电极5采用厚度为100-110nm的钛金属，位于二氧化钛***层4的上部；二氧化硅钝化层6的厚度为100-200nm，位于硅薄膜活性层3与金属电极5的上部，用于防止氧化锌种子层漏电；氧化锌种子层7的厚度为100-200nm，位于二氧化硅钝化层6的上部，为氧化锌纳米线的生长提供材料基础；氧化锌纳米线8的直径为40-60nm，高度为500-800nm，密度为1.0×1011cm-2-1.2×1011cm-2的稠密排布的圆柱体，其位于氧化锌种子层7的上部，以减少光的反射，并增加大角度入射光的吸收。
参照图2，本发明制作柔性瞬态硅薄膜光电晶体管的方法，给出以下三种实施例。
实施例1：制备二氧化钛***层厚度为0.5nm的柔性瞬态硅薄膜光电晶体管。
步骤1，在柔性瞬态衬底上旋涂制备粘附层。
选取厚度为100nm的氧化铟锡和厚度为200μm的聚乳酸作为柔性瞬态衬底，如图2(a),采用旋涂工艺以转速7000r/s，在柔性瞬态衬底上旋涂厚度为1μm的SU-8光刻胶，形成粘附层，如图2(b)，用于对硅薄膜与柔性瞬态衬底进行粘合，并作为光电晶体管的栅介质。
步骤2，在粘附层上转印制备硅薄膜。
利用转印技术在粘附层上制备厚度为190nm，磷掺杂浓度为1015cm-3，晶向为<100>的硅薄膜活性层作为器件的有源层，如图2(c)，具体实现如下：
2a)将绝缘衬底上的硅SOI基片依次置于丙酮、无水乙醇、去离子水中各超声清洗10min，再用氮***吹干；
2b)将清洗后的绝缘衬底上的硅SOI基片进行光刻形成20μm×20μm的方形刻蚀孔图案；
2c)将光刻后的绝缘衬底上的硅SOI基片进行反应离子刻蚀形成刻蚀孔，刻蚀条件为10mTorr的真空度，刻蚀气体流量比为：Cl2：BCl3＝60:60，刻蚀功率为150W，刻蚀时间200s；
2d)将刻蚀后的绝缘衬底上的硅SOI基片浸泡于氢氟酸中24h后捞出，并用去离子水冲洗，再用氮***吹干；
2e)利用固化的聚二甲基硅氧烷PDMS与绝缘衬底上的硅SOI的上表面耦合，再将两体系快速分离，由于聚二甲基硅氧烷PDMS具有粘性，因此使得单晶硅薄膜粘附在聚二甲基硅氧烷PDMS上；
2f)将粘有单晶硅薄膜的聚二甲基硅氧烷PDMS与旋涂SU-8光刻胶的柔性瞬态衬底耦合，再将两体系缓慢分离，由于硅薄膜和粘附层的粘着力要比硅薄膜和聚二甲基硅氧烷PDMS的粘着力大，因此硅薄膜可被有粘附层的柔性瞬态衬底获取，由此完成硅薄膜的转印。
步骤3，利用光刻工艺制备源漏电极图形。
采用光刻工艺，在硅薄膜活性层上光刻出源漏电极的图形，如图2(d)。
步骤4，利用原子层沉积法制备二氧化钛***层。
采用原子层沉积工艺，在90℃温度条件与氮气氛围下，在硅薄膜上沉积0.5nm厚的二氧化钛***层，如图2(e),二氧化钛可以有效地抑制n型硅的费米能级钉扎效应，并有足够的氧空位使得其导电性良好，以改善源漏极的欧姆接触。
步骤5，利用电子束蒸发工艺淀积金属钛。
采用电子束蒸发工艺，在1×10-6Torr的真空度下，以
的淀积速率，在二氧化钛***层上淀积100nm厚的金属钛，如图2(f)。
步骤6，利用剥离工艺形成源漏电极。
将做完成步骤5后的样品放入丙酮溶液中超声1min，去除硅薄膜上的光刻胶以及多余的二氧化钛和金属钛，形成具有二氧化钛***层的源漏电极，如图2(g)。
步骤7，利用电子束蒸发工艺淀积二氧化硅钝化层。
采用电子束蒸发工艺，在1×10-6Torr的真空度下，以
的淀积速率在硅薄膜上淀积100nm厚的二氧化硅钝化层，如图2(h)，用于防止氧化锌漏电。
步骤8，利用磁控溅射工艺制备氧化锌种子层。
8a)利用磁控溅射工艺，在1×10-5Torr的真空度和20sccm流量的O2环境下，采用500W的溅射功率以
的淀积速率，在二氧化硅钝化层上溅射厚度为100nm的氧化锌种子层；
8b)将溅射完氧化锌种子层的样品放置于150℃的热台上退火120min，完成氧化锌种子层的制备，如图2(i)。
步骤9，利用低温混合溶液生长法制备氧化锌纳米线。
采用低温混合溶液生长法，在氧化锌种子层表面生长氧化锌纳米线，如图2(j),以减少光的反射，并增加大角度入射光的吸收。具体做法如下：
9a)将乌托洛品和硝酸锌均以0.025mol/L的配比浓度溶解在等体积的去离子水中，分别在磁控搅拌台上以500rpm的速度和室温的条件充分搅拌15min；
9b)用玻璃引流管将搅拌后的硝酸锌溶液缓慢加入到搅拌后的乌托洛品溶液中，再以500rpm的速度和室温的条件搅拌30min形成均匀的混合溶液；
9c)将混合溶液放入90℃水热反应釜中，将器件氧化锌种子层的面向朝下置于混合溶液中反应180min，即可在氧化锌种子层上生长出直径为40nm，高度为500nm，密度为1.0×1011cm-2的稠密排列的圆柱状氧化锌纳米线；再用去离子水清洗后，放置于150℃的热台上退火60min，完成氧化锌纳米线的生长，至此完成光电晶体管的制作。
实施例2：制备二氧化钛***层厚度为0.7nm的柔性瞬态硅薄膜光电晶体管。
步骤一，在柔性瞬态衬底上旋涂制备粘附层。
选取厚度为115nm的氧化铟锡和厚度为240μm的聚乳酸作为柔性瞬态衬底，如图2(a)；
采用旋涂工艺以5000r/s的转速在柔性瞬态衬底上旋涂厚度为1.3μm的SU-8光刻胶，形成粘附层，如图2(b)。
步骤二，在粘附层上转印制备硅薄膜。
利用转印技术在粘附层上制备厚度为195nm，磷掺杂浓度为1015cm-3，晶向为<100>的硅薄膜活性层作为器件的有源层，如图2(c)，其转印制备过程除反应离子刻蚀时间增加为210s之外，其他均与步骤2相同。
步骤三，利用光刻工艺制备源漏电极图形。
本步骤与实例1中的步骤3相同。
步骤四，利用原子层沉积法制备二氧化钛***层。
采用原子层沉积工艺，在90℃温度条件与氮气氛围下，在硅薄膜上沉积0.7nm厚的二氧化钛***层，如图2(e),
步骤五，利用电子束蒸发工艺淀积金属钛。
采用电子束蒸发工艺，在1×10-6Torr的真空度下，以
的淀积速率，在二氧化钛***层上淀积105nm厚的金属钛，如图2(f)。
步骤六，利用剥离工艺形成源漏电极。
本步骤的具体实现与实例1中的步骤6相同。
步骤七，利用电子束蒸发工艺淀积氧化硅钝化层。
采用与实施例1步骤7相同的条件，在硅薄膜上淀积150nm厚的二氧化硅钝化层，如图2(h)。
步骤八，利用磁控溅射工艺制备氧化锌种子层。
8.1)利用磁控溅射工艺溅射氧化锌种子层，其具体工艺参数与实施例1的步骤8a)相同，在二氧化硅钝化层上溅射厚度为150nm的氧化锌种子层；
8.2)采用与实施例1步骤8b)相同的条件，完成氧化锌种子层的制备，如图2(i)。
步骤九，低温混合溶液生长法制备氧化锌纳米线。
采用低温混合溶液生长法，在氧化锌种子层表面生长氧化锌纳米线，如图2(j),以减少光的反射，并增加大角度入射光的吸收。具体做法如下：
9.1)配置混合溶液，其具体配置过程与实施例1的步骤9a)、9b)相同；
9.2)将器件放入混合溶液中90℃反应，将器件氧化锌种子层的面向朝下置于混合溶液中反应190min，即可在氧化锌种子层上生长出直径为50nm，高度为600nm，密度为1.1×1011cm-2的稠密排列的圆柱状氧化锌纳米线；再用去离子水清洗后，放置于150℃的热台上退火60min，完成氧化锌纳米线的生长，至此完成光电晶体管的制作。
实施例3：制备二氧化钛***层厚度为1nm的柔性瞬态硅薄膜光电晶体管。
步骤A，在柔性瞬态衬底上旋涂制备粘附层。
选取厚度为125nm的氧化铟锡和厚度为280μm的聚乳酸作为柔性瞬态衬底，如图2(a)；
采用旋涂工艺以4000r/s的转速在柔性瞬态衬底上旋涂厚度为1μm的SU-8光刻胶，形成粘附层，如图2(b)。
步骤B，在粘附层上转印制备硅薄膜。
利用转印技术在粘附层上制备厚度为200nm，磷掺杂浓度为1015cm-3，晶向为<100>的硅薄膜活性层作为器件的有源层，如图2(c)，其转印制备过程除反应离子刻蚀时间增加为220s之外，其他均与实施例1中的步骤2相同。
步骤C，利用光刻工艺制备源漏电极图形。
本步骤与实施例1中的步骤3相同。
步骤D，利用原子层沉积法制备氧化钛***层。
采用与实施例1步骤4相同的条件，在硅薄膜上沉积1nm厚的二氧化钛***层，如图2(e)。
步骤E，利用电子束蒸发工艺淀积金属钛。
采用与实施例1步骤7相同的条件，在二氧化钛***层上淀积110nm厚的金属钛，如图2(f)。
步骤F，利用剥离工艺制作源漏电极。
本步骤的具体实现与实例1中的步骤6相同。
步骤G，利用电子束蒸发工艺淀积二氧化硅钝化层。
采用与实施例1步骤7相同的条件，在硅薄膜上淀积200nm厚的二氧化硅钝化层，如图2(h)。
步骤H，利用磁控溅射工艺制备氧化锌种子层。
8A)利用磁控溅射工艺溅射氧化锌种子层，其具体工艺参数与实施例1的步骤8a)相同，在二氧化硅钝化层上溅射厚度为200nm的氧化锌种子层；
8B)采用与实施例1步骤8b)相同的条件，完成氧化锌种子层的制备，如图2(i)。
步骤I，低温混合溶液生长法制备氧化锌纳米线。
采用低温混合溶液生长法，在氧化锌种子层表面生长氧化锌纳米线，如图2(j),以减少光的反射，并增加大角度入射光的吸收。具体做法如下：
9A)配置混合溶液，其具体配置过程与实施例1的步骤9a)、9b)相同；
9B)将混合溶液放入90℃水热反应釜中，将器件氧化锌种子层的面向朝下置于混合溶液中反应200min，即可在氧化锌种子层上生长出直径为60nm，高度为800nm，密度为1.2×1011cm-2的稠密排列的圆柱状氧化锌纳米线；再用去离子水清洗后，放置于150℃的热台上退火60min，完成氧化锌纳米线的生长，至此完成光电晶体管的制作。
本发明的瞬态可降解特性可通过以下实验说明：
实验一，将磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、氯化钠溶液混合配置浓度为0.01mol/L磷酸盐缓冲液，加入少量盐酸，获得PH＝4的溶液，将本发明制作的器件浸泡于所配置溶液中，在25℃室温条件下浸泡72h后，氧化锌纳米线、氧化锌种子层以及聚乳酸衬底发生降解，器件完全失效，进而实现器件的瞬态降解特性。
实验二，将磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、氯化钠溶液混合配置浓度为0.01mol/L磷酸盐缓冲液，加入少量盐酸，获得PH＝4的溶液，将本发明制作的器件浸泡于所配置溶液中，在37℃人体生理温度条件下浸泡48h后，氧化锌纳米线、氧化锌种子层以及聚乳酸衬底发生降解，器件完全失效，进而实现器件的瞬态降解特性。
实验三，将磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、氯化钠溶液混合配置浓度为0.01mol/L磷酸盐缓冲液，加入少量氢氧化钠，获得PH＝12的溶液，将本发明制作的器件浸泡于所配置溶液中，在25℃室温条件下浸泡24h后，氧化锌纳米线、氧化锌种子层以及聚乳酸衬底发生降解，器件完全失效，进而实现器件的瞬态降解特性。
从测试结果来看，本发明器件在不同的环境条件下都具有可控的瞬态可降解特性，满足实际应用对器件的功能的要求。
Claims (3)
1.一种柔性瞬态硅薄膜光电晶体管的制作方法，包括如下步骤：
1)采用旋涂工艺，在柔性瞬态衬底上旋涂厚度为1-1.5μm的SU-8光刻胶形成粘附层；
2)采用转印技术，在粘附层上转印厚度为190-200nm单晶硅薄膜作为有源层；
3)采用光刻工艺，在硅薄膜上光刻出源漏电极的图形；
4)采用原子层沉积***，在90℃温度条件与氮气氛围下，在硅薄膜上沉积0.5-1nm厚的二氧化钛***层；
5)采用电子束蒸发工艺，在二氧化钛***层上淀积100-110nm厚的金属钛；
6)采用剥离工艺，将淀积完金属钛的样品放入丙酮溶液中超声1min，去除硅薄膜上的光刻胶以及多余的二氧化钛和金属钛，形成具有二氧化钛***层的源漏电极；
7)采用电子束蒸发工艺，在硅薄膜上淀积100-200nm厚的二氧化硅钝化层；
8)采用磁控溅射***，在二氧化硅钝化层上溅射厚度为100-200nm氧化锌种子层；
9)采用低温混合溶液生长法，在氧化锌种子层表面生长直径为40-60nm，高度为500-800nm，密度为1.0×1011cm-2-1.2×1011cm-2的氧化锌纳米线，完成光电晶体管的制作。
2.根据权利要求1所述的光电晶体管制作方法，其中所述2)的具体实现如下：
2a)将绝缘衬底上的硅SOI基片依次置于丙酮、无水乙醇、去离子水中各超声清洗10min，再用氮***吹干；
2b)将清洗后的绝缘衬底上的硅SOI基片进行光刻形成20μm×20μm 的方形刻蚀孔图案；
2c)将光刻后的绝缘衬底上的硅SOI基片进行反应离子刻蚀形成刻蚀孔，刻蚀条件为10mTorr的真空度，刻蚀气体流量比为：Cl2：BCl3＝60:60，刻蚀功率为150W，刻蚀时间200s；
2d)将刻蚀后的绝缘衬底上的硅SOI基片浸泡于氢氟酸中24h后捞出，并用去离子水冲洗，再用氮***吹干；
2e)利用固化的聚二甲基硅氧烷PDMS与绝缘衬底上的硅SOI的上表面耦合，再将两体系快速分离，由于聚二甲基硅氧烷PDMS具有粘性，因此使得单晶硅薄膜粘附在聚二甲基硅氧烷PDMS上；
2f)将粘有单晶硅薄膜的聚二甲基硅氧烷PDMS与旋涂SU-8光刻胶的柔性瞬态衬底耦合，再将两体系缓慢分离，由于硅薄膜和粘附层的粘着力要比硅薄膜和聚二甲基硅氧烷PDMS的粘着力大，因此硅薄膜可被有粘附层的柔性瞬态衬底获取，由此完成硅薄膜的转印。
3.根据权利要求1所述的光电晶体管制作方法，其中所述9)的具体实现如下：
9a)将乌托洛品和硝酸锌均以0.025mol/L的配比浓度溶解在等体积的去离子水中，分别在磁控搅拌台上以500rpm的速度和室温的条件充分搅拌15min；
9b)用玻璃引流管将搅拌后的硝酸锌溶液缓慢加入到搅拌后的乌托洛品溶液中，再以500rpm的速度和室温的条件搅拌30min形成均匀的混合溶液；
9c)将混合溶液放入90℃水热反应釜中，将器件氧化锌种子层的面向朝下置于混合溶液中反应180min，即可在氧化锌种子层上生长出稠密排列的圆柱状氧化锌纳米线；再用去离子水清洗后，放置于150℃的热台上退火60min，完成氧化锌纳米线的生长。
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