一种固态电解质薄膜晶体管及其制备方法.pdf

本发明涉及一种固态电解质薄膜晶体管及其制备方法。固态电解质薄膜晶体管包括：绝缘衬底(11)、源电极(12)、漏电极(13)、半导体层(14)、电解质绝缘层(15)、栅电极(16)和栅极衬底(17)。其中：所述绝缘衬底(11)位于晶体管的最底层，源电极(12)和漏电极(13)制备在绝缘衬底(11)之上。先在绝缘衬底上制备源/漏电极；其次在绝缘衬底和源/漏电极上制备半导体层；在栅极衬底上制备栅电极；将栅极衬底、栅电极与电解质绝缘层一同切割形成适当尺寸的小片，利用全自动或半自动自对准机械转移覆盖在半导体层沟道区域之上，完成器件制备。

权利要求书1.  一种固态电解质薄膜晶体管，其特征是所述晶体管包括：绝缘衬底(11)、源电极(12)、漏电极(13)、半导体层(14)、电解质绝缘层(15)、栅电极(16)和栅极衬底(17)；其中：所述绝缘衬底(11)位于晶体管的最底层，源电极(12)和漏电极(13)制备在绝缘衬底(11)之上，半导体层14制备在绝缘衬底11以及源电极12和漏电极13之上；半导体层之上为电解质绝缘层，电解质绝缘层之上分别设有电解质绝缘层和栅电极。2.  根据权利要求1所述的固态电解质薄膜晶体管，其特征是，所述绝缘衬底包括：玻璃、陶瓷或塑料。3.  根据权利要求1所述的固态电解质薄膜晶体管，其特征是，所述源电极(12)、漏电极(13)的材料包括：金、银、铜、铝等导电金属，ITO等导电无机物或PEDOT:PSS等导电有机物。4.  根据权利要求1所述的固态电解质薄膜晶体管，其特征是，所述半导体层(14)为溶液法加工的电子导电的无机半导体材料，如常见的无机氧化物半导体，或溶液法加工的空穴导电的有机半导体材料，如常见的小分子半导体和聚合物半导体。制备方法为旋涂，喷墨打印，丝网印刷，提拉法等溶液法。5.  根据权利要求1所述的固态电解质薄膜晶体管，其特征是，电解质绝缘层(15)为溶液法加工的聚合物电解质绝缘层材料，包括聚乙烯醇+氟化钾(PVA+KF)、苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物+1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(PS-PMMA-PS+[EMIM][TFSI])、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物+1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(P(VDF-HFP)+[EMIM][TFSI])、聚环氧乙烷+六氟磷酸锂(PEO+LiPF6)等固态电解质体系。电解质绝缘层的厚度一般为几百纳米到10微米。6.  根据权利要求1所述的固态电解质薄膜晶体管，其特征是所述栅极衬底(17)的材料包括：塑料薄膜等。7.  根据权利要求1所述的固态电解质薄膜晶体管，其特征是，所述栅电极(16)的材料包括：金、银、铜、铝、包括ITO的导电无机物或包括PEDOT:PSS的导电有机物。8.  根据权利要求1所述的固态电解质薄膜晶体管，其特征是，所述半导体层为溶液法加工的电子导电的包括ZnO，TiO，V2O5，MoO3无机半导体材料，或溶液法加工的空穴导电的包括小分子半导体(pentacene，TIPS-pentacene等)和P3HT，PBTTT的有机半导体材料；厚度为20-100纳米。9.  一种固态电解质薄膜晶体管及其制备方法，其特征是，包括：在绝缘衬底上制备 源电极和漏电极，所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀，或使用喷墨打印机或点胶机进行打印；在绝缘衬底上制备半导体层，所用制备方法为旋涂，喷墨打印，丝网印刷，提拉法等溶液法；在栅极衬底上制备栅电极，所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀，或使用喷墨打印机或点胶机进行打印；在栅极衬底栅电极上再制备电解质绝缘层，所用制备方法为溶液法旋涂、喷涂或刮涂电解质绝缘层溶液。所述栅电极(16)制备在所述栅极衬底(17)之上；所述电解质绝缘层(15)位于所述栅电极(16)和所述栅极衬底(17)之上；将所述电解质绝缘层(15)、所述栅电极(16)和所述栅极衬底(17)一同覆盖于所述半导体层(14)之上。

说明书一种固态电解质薄膜晶体管及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种场效应晶体管及其制备方法，更具体地讲，涉及一种以固态电解质为绝缘层材料的场效应晶体管，通过“切割—转移—贴片”的工艺形成绝缘层区域的精确控制和自动化生产。
背景技术
薄膜晶体管由于具有低成本、可低温制备、易于柔性和大面积集成等优点取得了广泛的关注，在传感单元、射频标志识别标签、电子纸显示背板、医疗卫生等领域已经取得了实际应用。随着人们对于电子产品低成本和便携不断增长的要求，溶液法薄膜晶体管的发展势必会得到更大的推动和重视。
使用聚合物电解质材料作为薄膜晶体管的绝缘层，能在提高绝缘层厚度的基础上，提高漏极输出电流和降低晶体管工作电压。这种低工作电压和大电流输出的晶体管可用于驱动有机电致发光器件、电子纸和液晶显示器等领域，具有良好的应用前景。
作为电路的基础元器件，薄膜晶体管的加工工艺已经趋于成熟，由真空蒸镀电极，旋涂、打印、喷涂等方式制备有源层和绝缘层薄膜的工艺已得到广泛的应用。然而，对于电解质薄膜晶体管来讲，电解质绝缘层的制备和集成工艺很难实现器件图案化应用和自动化生产。本发明提供一种固态电解质薄膜晶体管的制备方法，可以实现晶体管电路的精确图案化和全自动化生产制备，为固态电解质薄膜晶体管大量的、工业化的应用提供基础的工艺支撑。
发明内容
本发明目的是，针对现有技术的不足，提供一种新型薄膜晶体管及制备方法，通过固态电解质绝缘层的引入，使得所制备得到的薄膜晶体管在低工作电压下实现较高的开态电流和较大的开关比，从而使薄膜晶体管具有更广阔的应用前景。这种方法充分利用了电解质绝缘层的特性，将绝缘层涂布于柔性衬底上，利用工具切割形成适合沟道区域大小的小片，然后利用机械将小片转移并贴片至晶体管沟道区域，实现绝缘层的图案化处理和自动化对准集成工艺。
一种固态电解质薄膜晶体管，包括：绝缘衬底11、源电极12、漏电极13、半导体 层14、电解质绝缘层15、栅电极16和栅极衬底17；所述晶体管为顶栅底接触结构，所述绝缘衬底11位于晶体管的最底层，源电极12和漏电极13制备在绝缘衬底11之上，半导体层14制备在绝缘衬底11以及源电极12和漏电极13之上；半导体层之上为电解质绝缘层，电解质绝缘层之上分别设有电解质绝缘层15和栅电极；
所述绝缘衬底包括：玻璃或塑料薄膜等。
所述源电极12、漏电极13的材料包括：金、银、铜、铝等导电金属，ITO等导电无机物或PEDOT:PSS等导电有机物。制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀，或使用喷墨打印机或点胶机等设备进行喷墨打印制备。
所述半导体层为溶液法加工的电子导电的无机半导体材料，如常见的无机氧化物半导体或溶液法加工的空穴导电的有机半导体材料，如常见的小分子半导体和聚合物半导体。
所述栅极衬底为塑料薄膜。
所述栅电极的材料包括：金、铂等惰性导电金属，或ITO等导电金属氧化物，或PEDOT:PSS等导电有机物。
制备方法为旋涂，喷墨打印，丝网印刷，提拉法等溶液法。
电解质绝缘层(15)为溶液法加工的聚合物电解质绝缘层材料，包括聚乙烯醇+氟化钾(PVA+KF)、苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物+1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(PS-PMMA-PS+[EMIM][TFSI])、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物+1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(P(VDF-HFP)+[EMIM][TFSI])、聚环氧乙烷+六氟磷酸锂(PEO+LiPF6)等固态电解质体系。制备方法为溶液法旋涂、喷涂或刮涂电解质绝缘层溶液。
所述栅电极(16)的材料包括：金、银、铜、铝等导电金属，ITO等导电无机物或PEDOT:PSS等导电有机物。制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀，或使用喷墨打印机等设备进行喷墨打印制备。
所述栅极衬底(17)的材料包括：塑料薄膜等。
一种固态电解质薄膜晶体管及其制备方法，所述方法包括：
在绝缘衬底上制备源电极和漏电极，所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀，或使用喷墨打印机或点胶机进行打印。
在绝缘衬底上制备半导体层，所用制备方法为旋涂，喷墨打印，丝网印刷，提拉法 等溶液法。
在栅极衬底上制备栅电极，所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀，或使用喷墨打印机或点胶机进行打印。
在栅极衬底栅电极上再制备电解质绝缘层，所用制备方法为溶液法旋涂、喷涂或刮涂电解质绝缘层溶液。
所述栅电极(16)制备在所述栅极衬底(17)之上；所述电解质绝缘层(15)位于所述栅电极(16)和所述栅极衬底(17)之上；将所述电解质绝缘层(15)、所述栅电极(16)和所述栅极衬底(17)一同覆盖于所述半导体层(14)之上；如可利用全自动或半自动自对准机械转移栅电极(16)、电解质绝缘层(15)和栅极衬底(17)覆盖在半导体层(14)沟道区域之上。
在所述半导体层上贴片电解质绝缘层及栅极衬底，所用制备方法为使用具有自动化对准功能的贴片机。
本发明提供的一种固态电解质薄膜晶体管及其制备方法，具有以下有益效果：
第一、巧妙利用电解质绝缘层的特性制备电解质薄膜晶体管，可以显著地降低工作电压，增加输出电流。
第二、可溶液法低温制备，能够很好的应用于柔性衬底。
第三、提供一种全新的“切割—转移—贴片”工艺，实现了自动化加工以及精确对准，解决了在传统制造过程中沉积固态电解质层时对半导体沟道区域的损坏或污染，利用本工艺形成孤立的电解质区域可以帮助消除在集成构建功能电路时可能存在的横向耦合电场。
本发明选择合适的材料体系，利用一种全新的“切割—转移—贴片”工艺，实现了自动化加工以及精确对准，解决了在传统制造过程中沉积固态电解质层时对半导体沟道区域的损坏或污染，利用本工艺形成孤立的电解质区域可以帮助消除在集成构建功能电路时可能存在的横向耦合电场。
附图说明
图1是本发明实施的固态电解质薄膜晶体管的剖面结构示意图；
图2A-图2D是本发明实施的固态电解质薄膜晶体管的制备方法逐层制备功能层的流程图。
具体实施方式
下面结合附图更充分的描述本发明的实施方案。
本发明提供的固态电解质薄膜晶体管的结构如图1所示。其中绝缘衬底(11)位于晶体管的最底层，源电极(12)和漏电极(13)制备在绝缘衬底(11)之上，半导体层(14)制备在绝缘衬底(11)以及源电极(12)和漏电极(13)之上；电解质绝缘层(15)制备在栅电极(16)和栅极衬底(17)之上；将栅极衬底(17)之上制备好的电解质绝缘层(15)、栅电极(16)和栅极衬底(17)经切割形成适当尺寸的小片，利用全自动或半自动自对准机械转移覆盖在具有绝缘衬底(11及源电极(12)和漏电极(13)沟道区域的半导体层(14)之上，完成器件制备。
如上所述的固态电解质薄膜晶体管，所述绝缘衬底(11)包括玻璃片(也包括各种陶瓷片)或塑料(或高分子复合材料)薄片、膜、板等，甚至木材、漆面、织物上。
所述源电极(12)、漏电极(13)的材料包括：金、银、铜、铝等导电金属，ITO等导电无机物或PEDOT:PSS等导电有机物。制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀，或使用喷墨打印机或点胶机等设备进行喷墨打印制备，通常厚度为20-60纳米，电极长度为1200微米，电极宽度为50-60微米，沟道长度为50-60微米。
所述半导体层为溶液法加工的电子导电的无机半导体材料，如常见的无机氧化物半导体(ZnO，TiO，V2O5，MoO3等)，或溶液法加工的空穴导电的有机半导体材料，如常见的小分子半导体(pentacene，TIPS-pentacene等)和聚合物半导体(P3HT，PBTTT等)。制备方法为旋涂，喷墨打印，丝网印刷，提拉法等溶液法，通常厚度为20-100纳米。
所述栅极衬底(17)通常为便于切割的塑料薄膜。所述电解质绝缘层(15)为溶液法加工的聚合物电解质绝缘层材料，包括电解质材料体系为PVA+KF、PS-PMMA-PS+[EMIM][TFSI]、P(VDF-HFP)+[EMIM][TFSI]、或PEO+LiPF6等固态电解质体系。制备方法为溶液法旋涂、喷涂或刮涂电解质绝缘层溶液，固态电解质绝缘层一般直接制备在带有栅电极(16)的栅极衬底(17)之上。电解质绝缘层的厚度一般为几百纳米到10微米。
所述栅电极(16)的材料包括：金、银、铜、铝等导电金属，ITO等导电无机物或PEDOT:PSS等导电有机物。
制备方法见图2A-图2D，使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀，通常厚度为几十纳米，或使用喷墨打印机等设备进行喷墨打印制备。
将制备好的电解质绝缘层(15)、栅电极(16)和栅极衬底(17)经切割形成适当尺寸的小片，通常尺寸为2毫米×2毫米，利用全自动或半自动自对准机械转移覆盖在具有绝缘衬底(11及源电极(12)和漏电极(13)沟道区域的半导体层(14)之上，完成器件制备。
所述固态电解质薄膜晶体管绝缘层电容较高，具体为10-6F/cm2以上；晶体管的工作电压较低，具体为2V以下；晶体管开态电流较高，具体为10-3A以上；电流开关比较高，具体为105以上。