本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種柔性場效應(yīng)晶體管及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前半導(dǎo)體和微電子行業(yè)中的常規(guī)電子器件，通常是在硅基底上結(jié)合微納米加工工藝進行制備。這些硅基電子器件在上個世紀后半葉對人類社會的發(fā)展發(fā)揮了重大的作用，然而隨著未來電子產(chǎn)品在便捷性、超薄性、可彎曲性等方面的需求，需要找尋新一代的電子器件和相關(guān)制備技術(shù)。柔性電子(flexibleelectronics)以其獨特的延展性、多元化、低成本等方面的優(yōu)勢，在近幾年得到非常迅猛的發(fā)展。目前，柔性電子是一種技術(shù)的統(tǒng)稱，因為處于剛剛發(fā)展的階段。
柔性電子器件的最大特點在于其結(jié)構(gòu)的柔性化，使其既具有傳統(tǒng)半導(dǎo)體功能電子器件特點，又使得器件具有適應(yīng)環(huán)境大變形的能力。柔性器件的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)的柔性化設(shè)計。以塑料直管和波紋管為例，塑料直管的可拉伸量和彎曲量都很小，但是具有彈性的波紋管通過波紋結(jié)構(gòu)的伸縮特性使得結(jié)構(gòu)具有很大的拉伸和彎曲變形能力。
但是，由于有機半導(dǎo)體其本身的電學等物理特性與硅基半導(dǎo)體相比還有很大的距離，如有機半導(dǎo)體材料的遷移率和器件工作頻率比無機半導(dǎo)體低、有機半導(dǎo)體的光電能量轉(zhuǎn)換器件和發(fā)光器件轉(zhuǎn)換效率低于無機半導(dǎo)體器等。
近幾年來，隨著微納米加工制造水平的的不斷提高，以及半導(dǎo)體及材料領(lǐng)域的不斷擴展，可以通過不同的高精度制造工藝和方法來來實現(xiàn)柔性電子器件的制備。此類柔性電子器件具有在拉、壓、彎和扭等變形下保持良好性能的能力，以及良好的便攜性和適應(yīng)性。
場效應(yīng)晶體管(fieldeffecttransistor，fet)具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點，在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中被廣泛應(yīng)用。
目前，大部分的場效應(yīng)晶體管是基于硬質(zhì)材料如單晶硅等，而柔性效應(yīng)晶體管由于其具有可彎折性、便捷性的優(yōu)點，在柔性、大面積、低成本的電子紙、射頻商標和存儲器件等方面的潛在應(yīng)用而受到人們的廣泛關(guān)注。其中，中國專利申請(公開號：cn104051652a)公開了一種基于柔性襯底薄膜晶體管。該專利申請公開了在柔性襯底上利用蒸發(fā)、刻蝕的方法制 備以銦鎵鋅氧化物作為半導(dǎo)體層，雖然該專利實現(xiàn)了在柔性襯底上場效應(yīng)晶體管的制備，但是在器件制備過程中，仍然要經(jīng)過刻蝕、光刻等半導(dǎo)體工藝，步驟復(fù)雜，成本較高，難以實現(xiàn)柔性化電子器件的大批量、低成本的優(yōu)勢。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的主要目的在于提供一種柔性場效應(yīng)晶體管及其制備方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：
本發(fā)明實施例提供了一種柔性場效應(yīng)晶體管，包括：間隔設(shè)置在柔性襯底上且位于同一平面的源極和漏極，所述源極和漏極之間經(jīng)半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道電連接；覆蓋于所述半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道上的介質(zhì)層；以及，疊設(shè)在所述介質(zhì)層上的柵極。
進一步的，用于形成所述源極、漏極或柵極的導(dǎo)電材料包括納米碳材料或金屬材料。
所述納米碳材料包括碳納米管或石墨烯，但不限于此。
所述金屬材料包括ag、au或al，但不限于此。
較為優(yōu)選的，所述源極、漏極或柵極的厚度為2～50μm。
較為優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道主要由碳納米管或氧化還原石墨烯組成。
進一步的，所述半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道采用附著于所述柔性襯底上的碳納米管膜或氧化還原石墨烯膜。
較為優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道的厚度為50nm～10μm。
進一步的，用于形成所述介電層的材料包括聚酰亞胺或三氧化二鋁，但不限于此。
較為優(yōu)選的，所述介電層的厚度為1～50μm。
進一步的，用于形成所述柔性襯底的材料包括聚酰亞胺(pi)，聚對苯二甲酸乙二酯(pet)，聚二甲基硅氧烷(pdms)，但不限于此。
較為優(yōu)選的，所述柔性襯底的厚度為5～50μm。
本發(fā)明實施例提供了一種制備所述柔性場效應(yīng)晶體管的方法，其包括：
a、在硬質(zhì)襯底形成柔性襯底；
b、在所述柔性襯底上制備形成間隔設(shè)置的源極和漏極；
c、在所述源極和漏極之間制備半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道，使所述源極和漏極電連接；
d、在所述半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道上制備介電層；
e、在所述介電層上制備柵極。
在一些實施方案中，所述的制備方法包括：采用微機電系統(tǒng)技術(shù)或印刷電子技術(shù)制備所述源極、漏極、介電層或柵極。優(yōu)選采用微機電系統(tǒng)技術(shù)制成所述源極、漏極或柵極。
在一些實施方案中，所述的制備方法包括：采用印刷電子技術(shù)制備半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道。
進一步的，所述印刷電子技術(shù)包括氣流噴打印工藝、噴墨打印工藝或凹版印刷工藝，但不限于此。
較為優(yōu)選的，所述印刷電子技術(shù)采用的導(dǎo)電墨水為碳納米管導(dǎo)電墨水，所述碳納米管導(dǎo)電墨水的制備方法包括：
(i)利用酸溶液對碳納米管材料進行除雜處理，去除碳納米管材料中的金屬雜質(zhì)；
(ii)利用超聲、清洗、離心工藝步驟，對碳納米管材料進行純化、分散處理；
(iii)對純化后的碳納米管材料進行抽濾處理，獲得經(jīng)提純過的的碳納米管材料；
(iv)取純化后的碳納米管材料與分散劑混合，進行超聲、離心處理，取離心后的上層清液，即為碳納米管導(dǎo)電墨水。
進一步的，所述碳納米管導(dǎo)電墨水的濃度優(yōu)選為0.1～5μg/ml。
較為優(yōu)選的，所述印刷電子技術(shù)采用的導(dǎo)電墨水為氧化還原石墨烯導(dǎo)電墨水，所述氧化還原石墨烯導(dǎo)電墨水的制備方法包括：
(i)提供氧化還原石墨烯；
(ii)利用去離子水對氧化還原石墨烯進行分散、離心處理，之后加入有機溶劑，制備形成適合于氣溶膠打印的氧化還原石墨烯墨水，所述有機溶劑包括乙醇。
進一步的，所述氧化還原石墨烯導(dǎo)電墨水的濃度優(yōu)選為0.1～5μg/ml。
在一些實施方案中，所述的制備方法，其特征在于還包括：
f、利用劃片、剝離方式，獲得所述柔性場效應(yīng)晶體管。
本發(fā)明由于采用了微機電系統(tǒng)技術(shù)制備場效應(yīng)晶體管的電極，可以保證電極的精度。同時，本發(fā)明采用印刷電子技術(shù)可以實現(xiàn)碳納米材料的有效構(gòu)建，并避免高溫生長碳納米材料對襯底的損傷；此外，本發(fā)明利用微機電系統(tǒng)技術(shù)或者印刷電子技術(shù)實現(xiàn)介電層的沉積，增加了器件制備的靈活性。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有如下有益效果：通過采用微機電系統(tǒng)加工技術(shù)、印刷電子技術(shù)與納米碳材料等相結(jié)合，在柔性襯底上制備具有性能良好的場效應(yīng)晶體管，其結(jié)構(gòu)簡單、工藝靈活、成本較低、適于大批量生產(chǎn)。
附圖說明
圖1是本發(fā)明一典型實施例中一種柔性場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明的一個方面提供了一種柔性場效應(yīng)晶體管，包括依次疊層設(shè)置的襯底，源極、漏極和導(dǎo)電溝道，介電層和柵極。
其中，所述襯底、源極、漏極、導(dǎo)電溝道、介電層、柵極等的材質(zhì)可如前文所述，此處不再贅述。
本發(fā)明的另一方面提供了一種制備如上所述柔性場效應(yīng)晶體管的方法，包括步驟：
(i)在硬質(zhì)襯底(如玻璃、硅等)上旋涂一層有機物并進行固化作為柔性襯底；
(ii)在柔性襯底上利用微機電系統(tǒng)技術(shù)或印刷電子工藝制備場效應(yīng)晶體管的源極和漏極；
(iii)利用印刷電子技術(shù)工藝制備出碳納米材料導(dǎo)電溝道；
(iv)應(yīng)用微機電系統(tǒng)技術(shù)或印刷電子工藝制備介電層；
(v)應(yīng)用微機電系統(tǒng)技術(shù)或印刷電子工藝制備柵極；
(vi)從硬質(zhì)襯底上將第一步旋涂的柔性材質(zhì)進行剝離，獲得所述柔性場效應(yīng)晶體管。
優(yōu)選地，所述微機電系統(tǒng)加工工藝包括光刻、濺射、蒸鍍、刻蝕等步驟。
優(yōu)選地，所述印刷電子工藝選自氣流噴打印工藝、噴墨打印工藝或凹版印刷工藝。
較為優(yōu)選的，所述氣流噴打印工藝通過超聲起霧模式，使用直徑約100μm的微型噴嘴，同時控制環(huán)繞氣流和噴出氣流的比例，獲得噴出的溶液線條寬度在20～100μm。
優(yōu)選地，該方法還包括如下步驟，即：利用氧等離子工藝或者溶液活化方法對所述柔性襯底進行處理，以增加所述柔性襯底與位于該柔性襯底上的材料層(例如源、漏極及導(dǎo)電溝道)的結(jié)合力。
優(yōu)選地，該制備方法還包括制備碳納米材料印刷墨水的步驟，首先，利用化學溶液對碳納米進行除雜處理，然后利用超聲、清洗、離心工藝步驟，對碳納米材料進行純化處理；隨后利用分散劑對純化后的碳納米材料進行分散，形成導(dǎo)電墨水。
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案以及優(yōu)點更加清楚明白，下面將結(jié)合附圖用實施例對本發(fā)明做進一步說明。
實施例1請參閱圖1所示，本實施例提供的柔性柔性場效應(yīng)晶體管包括依次疊層設(shè)置的柔性襯底1，源極2、漏極3和半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道4，介電層5以及柵極6。
其中，柔性襯底1的材料為聚酰亞胺(polyimide，pi)。
其中，源極和漏極材料為ag。
其中，半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道為單壁碳納米管。
其中，介電層材料為聚酰亞胺。
其中，柵極材料為ag。
下面介紹如上所述的柔性場效應(yīng)晶體管的制備方法，該方法包括步驟：
(1)在硬質(zhì)襯底上制備柔性場效應(yīng)晶體管的基體材料。具體地，首先對玻璃襯底進行清洗，去除表面的顆粒和污染物；然后利用旋涂工藝圖在硅襯底表面旋涂一層聚酰亞胺，在程控烘箱中進行固化處理，獲得厚度在5～50微米級別的柔性聚酰亞胺薄膜1；
(2)在制備好的聚酰亞胺薄膜襯底上，利用噴墨打印技術(shù)結(jié)合納米ag導(dǎo)電墨水，打印出柔性場效應(yīng)晶體管的源極2和漏極3，厚度在2～20μm，面積在100×100μm2～500×500μm2。
(3)利用印刷電子工藝在所述源極2和漏極3之間制備碳納米管材質(zhì)的半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道4。首先制備碳納米管導(dǎo)電墨水，包括：
i、利用鹽酸和雙氧水(體積比約3:1)的混合溶液中在70℃下進行6h的回流處理，進行除雜處理，去除碳納米管中的金屬雜質(zhì)；
ii、用抽濾瓶對純化之后的碳納米管進行抽濾-沖洗反復(fù)操作將碳納米管中的雙氧水，鹽酸，金屬離子清洗干凈。將清洗干凈之后的碳納米管在50℃下進行干燥處理。
iii、利用超聲、清洗、離心工藝步驟，對納米級的碳納米管材料進行純化、分散處理；
iv、對純化后的碳納米管重新進行抽濾處理，提取出具有高純度的半導(dǎo)體型單壁碳納米管；
v、將純化之后的碳納米管分散在十二烷基硫酸鈉(sds)的水溶液中(質(zhì)量比h2o:sds＝99:1)。用細胞粉碎儀對碳納米管溶液進行超聲分散，在200w的功率下超聲5h后，碳納米管則均勻的分散在sds的水溶液中；
vi、將分散后的碳納米管sds溶液進行離心(8000～12000rpm)，并進行靜置24小時；
vii、取離心后的上層清液，即為碳納米管導(dǎo)電墨水。然后將制備好的的碳納米管導(dǎo)電墨水，利用噴墨打印工藝，在源極2和漏極3之間形成單壁碳納米管導(dǎo)電溝道4。
(4)利用印刷電子工藝，在碳納米管導(dǎo)電溝道上制備介電層5。首先取適量聚酰亞胺溶液，通過乙醇進行稀釋，獲得可打印的聚酰亞胺溶液；然后利用氣流噴打印技術(shù)，將稀釋后的聚酰亞胺溶液打印在碳納米管導(dǎo)電溝道上，獲得聚酰亞胺材質(zhì)的介電層5，其厚度約5～20μm。
(5)在制備好的聚酰亞胺介電層上，利用噴墨打印技術(shù)結(jié)合納米ag導(dǎo)電墨水，打印出 柔性場效應(yīng)晶體管的柵極6。
(6)然后利用劃片、剝離技術(shù)，將柔性場效應(yīng)晶體管從玻璃襯底上釋放出來，獲得聚酰亞胺基底的柔性場效應(yīng)晶體管。
實施例2請參閱圖1所示，本實施例提供的柔性場效應(yīng)晶體管包括依次疊層設(shè)置的柔性襯底1，源極2、漏極3和半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道4，介電層5以及柵極6。
其中，柔性襯底1的材料為聚二甲基硅氧烷(pdms)。
其中，源極和漏極材料為au。
其中，半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道為氧化還原石墨烯。
其中，介電層材料為三氧化二鋁。
其中，柵極材料為au。
下面介紹如上所述的柔性場效應(yīng)晶體管的制備方法，該方法包括步驟：
(1)在硬質(zhì)襯底上制備柔性場效應(yīng)晶體管的基體材料。具體地，首先對玻璃襯底進行清洗，去除表面的顆粒和污染物；然后利用旋涂工藝圖在硅襯底表面旋涂一層pdms，在程控烘箱中進行固化處理，獲得厚度在5～50微米級別的柔性pdms薄膜1；
(2)在制備好的pdms薄膜襯底上，利用微機電系統(tǒng)加工技術(shù)中的光刻、濺射等工藝，在pdms薄膜上形成au材質(zhì)的柔性場效應(yīng)晶體管的源極2和漏極3；
(3)利用印刷電子工藝在所述源極2和漏極3之間制備石墨烯材質(zhì)的半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道4。首先制備石墨烯導(dǎo)電墨水，包括步驟(i)用濃硫酸、高錳酸鉀與石墨粉末經(jīng)氧化反應(yīng)之后，得到棕色的石墨薄片，把石墨薄片層可以經(jīng)超聲或高剪切劇烈攪拌剝離為氧化石墨烯；(ii)利用去離子水對氧化石墨烯進行分散、離心，控制一定的粘度，并結(jié)合乙醇等有機溶劑，制備出適合與氣溶膠打印的高質(zhì)量氧化石墨烯水溶液。然后利用氣溶膠打印，在源極2和漏極3之間打印分散性良好的氧化石墨烯溶液，其濃度約0.5～20mg/ml。最后利用氣相hi對氧化石墨烯進行還原，獲得氧化還原石墨烯材質(zhì)的導(dǎo)電溝道4。
(4)利用微機電系統(tǒng)工藝，在氧化還原石墨烯導(dǎo)電溝道上制備介電層5。利用微機電系統(tǒng)技術(shù)中的光刻顯影技術(shù)，先形成介電層結(jié)構(gòu)的圖形化，然后利用氣相沉積技術(shù)，在導(dǎo)電溝道上沉積三氧化二鋁材料，最后去除多余的三氧化二鋁材料，獲得介電層5，其厚度約5～20μm。
(5)在制備好的三氧化二鋁介電層上，利用微機電系統(tǒng)技術(shù)中的光刻、顯影、濺射等工藝，制備出au材質(zhì)的柔性場效應(yīng)晶體管柵極6；
(6)然后利用劃片、剝離技術(shù)，將柔性場效應(yīng)晶體管從玻璃襯底上釋放出來，獲得pdms 基底的柔性場效應(yīng)晶體管。
實施例3請參閱圖1所示，本實施例提供的柔性場效應(yīng)晶體管包括依次疊層設(shè)置的柔性襯底1，源極2、漏極3和半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道4，介電層5以及柵極6。
其中，柔性襯底1的材料為聚對苯二甲酸乙二酯(pet)。
其中，源極和漏極材料為多壁碳納米管。
其中，半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道為單壁碳納米管。
其中，介電層材料為聚酰亞胺。
其中，柵極材料為多壁碳納米管。
下面介紹如上所述的柔性場效應(yīng)晶體管的制備方法，該方法包括步驟：
(1)制備導(dǎo)電性良好的多壁碳納米管導(dǎo)電溶液，包括：
i、利用硫酸等化學溶液進行除雜處理，去除碳納米管中的金屬雜質(zhì)；
ii、利用超聲、清洗、離心工藝步驟，對納米級的碳納米管材料進行純化、分散處理；
iii、對純化后的碳納米管進行抽濾處理，提取出高純度的多壁碳納米管；
iv、然后取適量提純后的單壁碳納米管結(jié)合sds分散劑，進行噪聲、離心處理，制備出多壁碳納米管導(dǎo)電溶液；
(2)在制備好的pet薄膜襯底1上，利用印刷電子技術(shù)中的氣流噴打印設(shè)備，在pet薄膜上形成多壁碳納米管材質(zhì)的柔性場效應(yīng)晶體管的源極2和漏極3；
(3)利用印刷電子工藝在所述源極2和漏極3之間制備碳納米管材質(zhì)的半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道4。首先制備碳納米管導(dǎo)電墨水，包括步驟(i)利用硫酸等化學溶液進行除雜處理，去除碳納米管中的金屬雜質(zhì)；(ii)利用超聲、清洗、離心工藝步驟，對納米級的碳納米管材料進行純化、分散處理；(iii)對純化后的碳納米管進行抽濾處理，提取出具有高純度的半導(dǎo)體型單壁碳納米管；(iv)然后取適量提純后的單壁碳納米管結(jié)合sds分散劑，進行噪聲、離心處理；(v)取離心后的上層清液，即為碳納米管導(dǎo)電墨水。然后將制備好的的碳納米管導(dǎo)電墨水，利用氣流噴打印工藝，在源極2和漏極3之間形成單壁碳納米管導(dǎo)電溝道4。
(4)利用印刷電子工藝，在碳納米管導(dǎo)電溝道上制備介電層5。首先取適量聚酰亞胺溶液，通過乙醇進行稀釋，獲得可打印的聚酰亞胺溶液；然后利用氣流噴打印技術(shù)，將稀釋后的聚酰亞胺溶液打印在碳納米管導(dǎo)電溝道上，獲得聚酰亞胺材質(zhì)的介電層5。
(5)在制備好的聚酰亞胺介電層上，利用氣流噴打印技術(shù)結(jié)合多壁碳納米管導(dǎo)電墨水，打印出柔性場效應(yīng)晶體管的柵極6；
其中，前述的印刷電子工藝可以為氣流噴打印工藝、噴墨打印工藝或凹版印刷工藝。
以上所述僅是本發(fā)明的具體實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。