CN109360857A - 一种可降解的自支撑薄膜晶体管器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可降解的自支撑薄膜晶体管器件，主要包括自支撑介电层、半导体有源层、源电极、漏电极和栅电极；其特征在于：可降解的自支撑薄膜晶体管器件采用具有离子导电特性的天然高分子聚合物薄膜作为自支撑介电层，在自支撑介电层上再依次沉积半导体有源层和共平面的源电极、漏电极和栅电极，其中半导体有源层设置在源电极、漏电极之间。本发明的优点是：(1)该薄膜晶体管器件采用具有支撑性能的介电层，无需使用额外衬底，简化了器件的材料结构。(2)天然高分子聚合物薄膜成本低廉，在室温常规环境下具有较好的稳定性。通过控制薄膜成分结构可以调节其在特殊环境中的分解速率，从而实现降解速率可控的薄膜晶体管器件。

Description

一种可降解的自支撑薄膜晶体管器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种可降解的自支撑薄膜晶体管器件及其制备方法。
背景技术
当前，各类电子设备为了能够稳定地发挥功能，通常由不可降解、非常稳定，甚至可能有毒(如砷化镓)的基底材料和电子元器件制造而成。薄膜晶体管是一类最基础的电子元器件，已在随机存取存储器、平板显示、光电传感器等领域得到广泛应用。
随着电子制备技术日新月异地发展，每时每刻都有损坏或者淘汰的电子器件被遗弃，这将导致严重的环境污染。另一方面，随着植入式医疗器件的发展应用，生物相容并且在特定时间内可以发生降解并被人体所代谢的薄膜晶体管器件具有极大的需求空间。因此，设计并制备可降解、环境友好、低毒性的薄膜晶体管器件在安全电子设备、可降解环境传感器和自消失植入医疗器件等领域有着非常重要的应用价值。
传统的薄膜晶体管是将半导体有源层2、介电层3和金属电极层(4.源电极；5.漏电极；6.栅电极)以薄膜形式依次沉积在可支撑的衬底材料1上而制成的，见附图1。其工作原理是利用施加在金属栅极的垂直于半导体沟道的电场强度来控制半导体沟道的导电能力，从而实现电学信号放大和开关作用。如果所用制备材料都能在特定的环境条件下消融，那么将实现可降解的薄膜晶体管器件。目前已报道的可降解衬底材料包括蚕丝蛋白、纤维素、聚己内酯、聚羟基乙酸、聚乳酸及乳酸-羟基乙酸共聚物等；可降解的半导体材料包括硅纳米薄膜、无定形氧化铟镓锌、有机高分子半导体等；可降解的介电层包括氧化镁、氧化铝等；可降解的电极材料包括镁、铁等。
综上所述，本领域迫切需要开发一种结构简单、制备简便且性能优异的可降解薄膜晶体管器件。
发明内容
本发明设计了一种可降解的自支撑薄膜晶体管器件，其结构包括半导体有源层、金属电极层和具有支撑功能的介电层，该器件结构简单，制备过程简便，且具有良好的半导体沟道调控性能。器件所用材料具有良好的生物相容性，可在特定环境下进行降解。
本发明采用的技术方案如下：一种可降解的自支撑薄膜晶体管器件，主要包括自支撑介电层、半导体有源层、源电极、漏电极和栅电极；其特征在于：可降解的自支撑薄膜晶体管器件采用具有离子导电特性的天然高分子聚合物薄膜作为自支撑介电层，在自支撑介电层上再依次沉积半导体有源层和共平面的源电极、漏电极和栅电极，其中半导体有源层设置在源电极、漏电极之间。
本发明所述天然高分子聚合物包括甲基纤维素、海藻酸钠、壳聚糖等，自支撑薄膜的制备采用溶液涂敷干燥方法。
本发明所述半导体有源层可以是非晶氧化物半导体，如铟镓锌氧化物、氧化锌、氧化铟锌等，沉积采用磁控溅射方法；同时也可以是有机半导体，如并五苯、3-己基噻吩聚合物等，沉积采用溶液旋涂方法。
本发明所述源电极、漏电极和栅电极可以采用导电氧化物材料，如氧化铟锡，沉积采用磁控溅射方法；也可采用部分金属材料，如铁、镁等，沉积采用真空热蒸发或电子束蒸发技术。
本发明所述半导体有源层和电极层的图形化采用掩模板方法实现。
本发明所述的一种可降解的自支撑薄膜晶体管器件的制备方法，其特征在于方法步骤如下：
(1)将1-10g天然高分子聚合物粉末溶解于10-100ml稀酸溶液中，搅拌静置；天然高分子聚合物包括甲基纤维素、海藻酸钠、壳聚糖，稀酸溶液包括醋酸、盐酸、硫酸，稀酸溶液浓度为1％-10％；将适量的天然高分子聚合物酸溶液倒入特制的模具中，在50-200℃干燥成膜，自支撑薄膜厚度为0.001-100mm；
(2)采用磁控溅射方法在上述自支撑薄膜上沉积非晶氧化物半导体有源层，沉积厚度为10-1000nm；或者采用溶液旋涂法在上述自支撑薄膜上沉积有机半导体有源层，沉积厚度为0.1-10μm；
(3)在沉积了半导体有源层的自支撑薄膜上安装具有特殊镂空图案的金属镍掩模板，采用磁控溅射方法沉积导电氧化物电极层，或者采用真空热蒸发方法沉积金属电极层；电极薄膜通过掩模板的镂空部分分别形成源电极、漏电极和栅电极，源电极、漏电极和栅电极同在一个平面上；电极薄膜厚度为10-1000nm；
(4)通过以上步骤，即制得自支撑薄膜晶体管器件。将该器件放入稀酸溶液中，如醋酸、盐酸、硫酸等，可以实现器件完全降解。通过控制酸浓度可以调节降解速率，完全降解时间为1-5000min。
其中甲基纤维素聚合度50-1000；海藻酸钠聚合度10-1000、壳聚糖聚合度10-1000，脱酰率50％-95％。
其中源电极、漏电极之间的沟道宽度为100-5000μm，沟道长度为10-1000μm；根据不同的需要，还可以通过设计掩模板制备具有多个平面栅电极的薄膜晶体管，栅电极个数可以是1-100个。
本发明采用的天然高分子聚合物薄膜具有极佳的成膜特性，完全可以起到器件支撑作用，无需使用额外衬底。此外，该类天然高分子聚合物薄膜具有良好的离子导电特性，通过界面的离子静电耦合作用可以在较低的栅极电压下实现良好的沟道调控性能，同时降低了栅极与半导体沟道的对准要求。根据此特性可以制成源极、漏极和栅极在同一平面的器件结构，避免了多次沉积和光刻对准工艺。最后，该类天然高分子聚合物薄膜在室温常规环境下具有较好的稳定性，但可在稀酸溶液中完全溶解，基于此可实现整个器件的完全降解。
本发明的优点是：(1)该薄膜晶体管器件采用具有支撑性能的介电层，无需使用额外衬底，简化了器件的材料结构。(2)该器件的介电层具有离子导电特性，晶体管栅极对半导体沟道导电性的调控是通过界面的离子静电耦合作用实现的。这一特性使得器件可以在较低的栅极电压下实现良好的沟道调控性能。同时，可降低栅极与半导体沟道的对准要求，实现源极、漏极和栅极在同一平面的器件结构，避免了多次沉积和光刻对准工艺，极大地简化了器件的制备工艺。(3)天然高分子聚合物薄膜成本低廉，在室温常规环境下具有较好的稳定性。通过控制薄膜成分结构可以调节其在稀酸中的溶解速率，从而实现降解速率可控的薄膜晶体管器件。
附图说明
图1为本发明的常规薄膜晶体管构造示意图。
图2为本发明的自支撑薄膜晶体管构造示意图。
在图中，01、衬底材料；02.半导体有源层；03.介电层；1.自支撑介电层；2.介电层中可移动的离子；3.半导体有源层；4.源电极；5.漏电极；6.栅电极。
实施方式
如图2所示，本发明是这样来工作和实施的，一种可降解的自支撑薄膜晶体管器件，主要包括自支撑介电层1、半导体有源层3、源电极4、漏电极5和栅电极6；其特征在于：可降解的自支撑薄膜晶体管器件采用介电层中可移动的离子2具有离子导电特性的天然高分子聚合物薄膜作为自支撑介电层1，在自支撑介电层1上再依次沉积半导体有源层3和共平面的源电极4、漏电极5和栅电极6，其中半导体有源层3设置在源电极4、漏电极5之间。
本发明所述的一种可降解的自支撑薄膜晶体管器件的制备方法，其特征在于方法步骤如下：
将1-10g天然高分子聚合物粉末溶解于10-100ml稀酸溶液中，搅拌静置。天然高分子聚合物包括甲基纤维素(聚合度50-1000)、海藻酸钠(聚合度10-1000)、壳聚糖(聚合度10-1000，脱酰率50％-95％)等，稀酸溶液包括醋酸、盐酸、硫酸等，稀酸溶液浓度为1％-10％。将适量的天然高分子聚合物酸溶液倒入特质的模具中，在50-200℃干燥成膜，自支撑薄膜厚度为0.001-100mm。
采用磁控溅射方法在上述自支撑薄膜上沉积非晶氧化物半导体有源层，沉积厚度为10-1000nm；或者采用溶液旋涂法在上述自支撑薄膜上沉积有机半导体有源层，沉积厚度为0.1-10μm。
在沉积了半导体有源层的自支撑薄膜上安装具有特殊镂空图案的金属镍掩模板，采用磁控溅射方法沉积导电氧化物电极层，或者采用真空热蒸发方法沉积金属电极层。电极薄膜通过掩模板的镂空部分分别形成源极、漏极和栅极，源漏极和栅极同在一个平面上。电极薄膜厚度为10-1000nm。源漏电极之间的沟道宽度为100-5000μm，沟道长度为10-1000μm。根据不同的需要，还可以通过设计掩模板制备具有多个平面栅电极的薄膜晶体管，栅电极个数可以是1-100个。
通过以上步骤，即制得自支撑薄膜晶体管器件。将该器件放入稀酸溶液中，如醋酸、盐酸、硫酸等，可以实现器件完全降解。通过控制酸浓度可以调节降解速率，完全降解时间为1-5000min。
本发明采用的天然高分子聚合物薄膜具有极佳的成膜特性，完全可以起到器件支撑作用，无需使用额外衬底。此外，该类天然高分子聚合物薄膜具有良好的离子导电特性，通过界面的离子静电耦合作用可以在较低的栅极电压下实现良好的沟道调控性能，同时降低了栅极与半导体沟道的对准要求。根据此特性可以制成源极、漏极和栅极在同一平面的器件结构，避免了多次沉积和光刻对准工艺。最后，该类天然高分子聚合物薄膜在室温常规环境下具有较好的稳定性，但可在稀酸溶液中完全溶解，基于此可实现整个器件的完全降解。

Claims (8)

1.一种可降解的自支撑薄膜晶体管器件，主要包括自支撑介电层、半导体有源层、源电极、漏电极和栅电极；其特征在于：可降解的自支撑薄膜晶体管器件采用具有离子导电特性的天然高分子聚合物薄膜作为自支撑介电层，在自支撑介电层上再依次沉积半导体有源层和共平面的源电极、漏电极和栅电极，其中半导体有源层设置在源电极、漏电极之间。
2.根据权利要求1所述的一种可降解的自支撑薄膜晶体管器件，其特征在于：所述天然高分子聚合物包括甲基纤维素、海藻酸钠、壳聚糖，自支撑薄膜的制备采用溶液涂敷干燥方法。
3.根据权利要求1所述的一种可降解的自支撑薄膜晶体管器件，其特征在于：所述半导体有源层或是非晶氧化物半导体，沉积采用磁控溅射方法；或是有机半导体，如并五苯、3-己基噻吩聚合物，沉积采用溶液旋涂方法。
4.根据权利要求1所述的一种可降解的自支撑薄膜晶体管器件，其特征在于：所述源电极、漏电极和栅电极或采用导电氧化物材料，沉积采用磁控溅射方法；或采用部分金属材料，沉积采用真空热蒸发或电子束蒸发技术。
5.根据权利要求1所述的一种可降解的自支撑薄膜晶体管器件，其特征在于：半导体有源层和电极层的图形化采用掩模板方法实现。
6.一种根据权利要求1所述的可降解的自支撑薄膜晶体管器件的制备方法，其特征在于方法步骤如下：
(1)将1-10g天然高分子聚合物粉末溶解于10-100ml稀酸溶液中，搅拌静置；天然高分子聚合物包括甲基纤维素、海藻酸钠、壳聚糖，稀酸溶液包括醋酸、盐酸、硫酸，稀酸溶液浓度为1％-10％；将适量的天然高分子聚合物酸溶液倒入特制的模具中，在50-200℃干燥成膜，自支撑薄膜厚度为0.001-100mm；
(2)采用磁控溅射方法在上述自支撑薄膜上沉积非晶氧化物半导体有源层，沉积厚度为10-1000nm；或者采用溶液旋涂法在上述自支撑薄膜上沉积有机半导体有源层，沉积厚度为0.1-10μm；
(3)在沉积了半导体有源层的自支撑薄膜上安装具有特殊镂空图案的金属镍掩模板，采用磁控溅射方法沉积导电氧化物电极层，或者采用真空热蒸发方法沉积金属电极层；电极薄膜通过掩模板的镂空部分分别形成源电极、漏电极和栅电极，源电极、漏电极和栅电极同在一个平面上；电极薄膜厚度为10-1000nm；
(4)通过以上步骤，即制得自支撑薄膜晶体管器件。
7.根据权利要求6所述的一种可降解的自支撑薄膜晶体管器件的制备方法，其特征在于：其中甲基纤维素聚合度50-1000；海藻酸钠聚合度10-1000、壳聚糖聚合度10-1000，脱酰率50％-95％。
8.根据权利要求6所述的一种可降解的自支撑薄膜晶体管器件的制备方法，其特征在于：其中源电极、漏电极之间的沟道宽度为100-5000μm，沟道长度为10-1000μm；根据不同的需要，还可以通过设计掩模板制备具有多个平面栅电极的薄膜晶体管，栅电极个数可以是1-100个。
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