一种具有电致变色特性的双层栅介质薄膜晶体管制造技术

本发明专利技术涉及半导体薄膜晶体管及电致变色电子器件技术领域，特指一种电致变色双层栅介质薄膜晶体管及其制作方法。根据电致变色原理，在给晶体管施加电压时，激发晶体管中氧化钨产生变色，使晶体管的光透过特性发生变化的现象设计电致变色器件。其中利用二氧化硅的质子导电特性作为离子存储层，为电致变色提供变色所需的质子；氧化钨和二氧化硅均作为薄膜晶体管的栅介质，实现具有电致变色特性双层栅介质薄膜晶体管的制作。

【技术实现步骤摘要】
一种具有电致变色特性的双层栅介质薄膜晶体管
本专利技术涉及半导体薄膜晶体管及电致变色电子器件
，特指一种电致变色双层栅介质薄膜晶体管及其制作方法。
技术介绍
薄膜晶体管是一种半导体薄膜、薄膜电极和栅绝缘层组成的场效应器件，它利用电场来调控半导体材料的费米能级位置进而调控其导电能力，因此可作为有源矩阵有机发光二极管和薄膜晶体管液晶显示器等的驱动电路核心部件；传统非晶硅薄膜的载流子迁移率较低，很难提供发光器件所需的较大驱动电流；多晶硅薄膜存在晶间间界，晶粒尺寸大小不一等问题，导致多晶硅薄膜晶体管均匀性差，且制备成本高；有机晶体管技术尚不成熟，其载流子迁移率、稳定性等问题还需要进一步考虑；近年来，宽带隙氧化物半导体薄膜晶体管具有高迁移率、低温工艺、与柔性衬底兼容性好且能大面积生产、低成本等优势，在智能卡、电子标签、电子纸、存储器、传感器和有源矩阵显示器等方面有着广阔的应用前景，因而引起了国内外专家们极大的研究兴趣，宽带隙氧化物半导体薄膜晶体管通常需要比较大的工作电压才能获得高的输出电流与高迁移率；因此寻求新型的低压薄膜晶体管已经成为近几年的研究热点之一；低压工作的氧化物薄膜晶体管可有效减少器件及电路等的功率损耗，在便携式微电子学领域具有潜在的应用价值。双栅绝缘薄膜晶体管具有可控的阈值电压调节特性，传统双层栅介质薄膜晶体管都是基于一种典型的三明治结构，半导体沟道被两层栅介质夹在中间，实质上可认为是一个底栅晶体管和顶栅晶体管的共同沟道复合晶体管，制备这种器件需多步的薄膜沉积工艺以及精准的对准光刻技术；与此同时，电致变色材料在电场作用下具有光吸收透过的可调节性，可选择性地吸收或反射外界的热辐射和内部的热的扩散，减少办公大楼和民用住宅在夏季保持凉爽和冬季保持温暖而必须消耗的大量能源；同时起到改善自然光照程度、防窥的目的；也可解决现代不断恶化的城市光污染问题，是节能建筑材料的一个发展方向；电致变色器件是通过外加电场作用实现的，如图1所示，其典型双变色材料层器件结构从下至上分别为：玻璃或透明基底材料、透明导电层、离子存储层、电解质层、电致变色层、透明导电层；器件工作时，在两个透明导电层之间加上一定的电压，电致变色层材料在电压作用下发生氧化还原反应，颜色发生变化；而电解质层则由特殊的导电材料组成，如包含有高氯酸锂、高氯酸纳等的溶液或固体电解质材料；离子存储层在电致变色材料发生氧化还原反应时起到储存相应的反离子，保持整个体系电荷平衡的作用，离子存储层也可以为一种与前面一层电致变色材料变色性能相反的电致变色材料，这样可以起到颜色叠加或互补的作用；如：电致变色层采用的是阳极氧化变色材料，则离子存储层可采用阴极还原变色材料等；将电致变色材料与薄膜晶体管相结合，获得具有电致变色特性的薄膜晶体管，将在新一代显示领域具有广阔的应用前景，因此，设计和开发具有简单器件工艺的高性能电致变色薄膜晶体管具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种电致变色双层栅介质薄膜晶体管及其制作方法，(1)根据电致变色原理，在给晶体管施加电压时，激发晶体管中氧化钨产生变色，使晶体管的光透过特性发生变化的现象设计电致变色器件；(2)其中利用二氧化硅的质子导电特性作为离子存储层，为电致变色提供变色所需的质子；(3)氧化钨和二氧化硅均作为薄膜晶体管的栅介质，实现具有电致变色特性双层栅介质薄膜晶体管的制作。本专利技术解决其关键问题所采用的技术方案为：一种具有电致变色特性的双层栅介质薄膜晶体管，其特征在于：包括由下至上的透明基底材料层、透明导电层、二氧化硅质子导体栅绝缘层、氧化钨质子导体栅绝缘层、沟道层及源漏电极；透明导电层上依次设有作为质子存储层的二氧化硅质子导体栅绝缘层和发生电致变色的氧化钨质子导体栅绝缘层；氧化钨层上设有沟道层；沟道层上设有源漏电极。本专利技术以氧化钨和二氧化硅两种质子导体膜作为薄膜晶体管栅介质，如图2所示，其工作机制为：在栅电极G施加正向电压时，质子将从二氧化硅质子导体栅绝缘层迁移到氧化钨质子导体栅绝缘层，激发晶体管中氧化钨产生变色；在栅电极G施加负向电压时，质子将从氧化钨质子导体膜移回至二氧化硅质子导体栅绝缘层，激发晶体管中氧化钨恢复原有颜色。所述的透明基底材料层为无色透明玻璃。所述的透明导电层为ITO层，厚度为60～500nm。所述的沟道层为IZO、ITO或IGZO，厚度为20～50nm。所述的源极和漏极采用IZO、ITO或IGZO，厚度为200～500nm。作为优选，所述的氧化钨薄膜的厚度为300-1000nm，所述的二氧化硅质子导体膜的厚度为500-4000nm。与传统薄膜晶体管相比，本专利技术在提高薄膜晶体管整体性能方面具有如下优势：本专利技术利用氧化钨和二氧化硅质子导体膜作双层栅介质，在给晶体管施加电压时，激发晶体管中氧化钨产生变色，使晶体管的光透过特性发生变化，从而具有电致变色功能；该专利技术制备工艺与传统基本工艺兼容，不需改变其他现有生产设备，适于大规模生产。附图说明图1为典型电致变色器件结构示意图。图2为本专利技术电致变色双层栅介质薄膜晶体管结构示意图。具体实施方式：下面结合附图实施例对本专利技术做进一步详细描述，但不应以此限制本专利技术的保护范围。图2为本专利技术结构示意图，其中附图标记为：G为栅电极、S为源极、D为漏极。本专利技术一种电致变色双层栅介质薄膜晶体管制备方法包括如下步骤：1.栅电极制备；2.双层栅介质层制备；3.沟道制作；4.掩模、制备源极(S)、漏极(D)。实施例1：1.对ITO玻璃衬底进行清洗。2.等离子化学气相沉积技术制备二氧化硅质子导体膜；所用反应气体为硅烷和磷烷，浓度比例为9：1；利用氩气起辉；所用氧气流量为10sccm；所用射频功率为100W；所用沉积压强为30Pa；所用温度为室温；厚度为500nm。3.溅射制备氧化钨薄膜，所用靶材为钨靶，浓度为99.99％；利用氩气起辉，所用氧气流量为14sccm，射频功率为100W，沉积压强为0.1Pa；厚度为300nm。4.利用磁控溅射技术，以IZO为靶材，在室温下，设置反应压强为1Pa、射频功率为100W，制备沟道层，厚度为20nm。5.通过溅射工艺和掩模技术在沟道层上以IZO为靶材，在室温下，设置反应压强为1Pa、射频功率为100W，制备IZO源/漏电极，其中，源漏电极厚度为300nm，从而获得具有电致变色特性的双层栅介质薄膜晶体管。实施例2：1.对普通玻璃衬底进行清洗。2.利用磁控溅射技术，以ITO为靶材，在室温下，设置反应压强为1Pa、射频功率为100W，制备栅电极，厚度为80nm。3.等离子化学气相沉积技术制备二氧化硅质子导体膜；所用反应气体为硅烷和磷烷，浓度比例为9：1；利用氩气起辉；所用氧气流量为10sccm；所用射频功率为200W；所用沉积压强为10Pa；所用温度为室温；厚度为1000nm。4.溅射制备氧化钨薄膜，所用靶材为钨靶，浓度为99.99％；利用氩气起辉，所用氧气流量为14sccm，射频功率为100W，沉积压强为0.1Pa；厚度为500nm。5.利用磁控溅射技术，以IGZO为靶材，在室温下，设置反应压强为1Pa、射频功率为100W，制备沟道层，厚度为40nm。6.通过溅射工艺和掩模技术在沟道层上以IZO为靶材，在室温下，设置反应压强为1Pa、射频功率为1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有电致变色特性的双层栅介质薄膜晶体管，其特征在于：包括由下至上的透明基底材料层、透明导电层、二氧化硅质子导体栅绝缘层、氧化钨质子导体栅绝缘层、沟道层及源漏电极；透明导电层上依次设有作为质子存储层的二氧化硅质子导体栅绝缘层和发生电致变色的氧化钨质子导体栅绝缘层；氧化钨层上设有沟道层；沟道层上设有源漏电极。

【技术特征摘要】
1.一种具有电致变色特性的双层栅介质薄膜晶体管，其特征在于：包括由下至上的透明基底材料层、透明导电层、二氧化硅质子导体栅绝缘层、氧化钨质子导体栅绝缘层、沟道层及源漏电极；透明导电层上依次设有作为质子存储层的二氧化硅质子导体栅绝缘层和发生电致变色的氧化钨质子导体栅绝缘层；氧化钨层上设有沟道层；沟道层上设有源漏电极；所述的二氧化硅质子导体栅绝缘层作为质子存储层，采用等离子体化学气相沉积系统制备；所述的氧化钨质子导体栅绝缘层作为电致变色层，采用磁控溅射技术制备。2.如权利要求1所述的一种具有电致变色特性的双层栅介质薄膜晶体管，其特征在于：在作为栅电极的透明导电层上施加正向电压时，质子将从二氧化硅质子导体栅绝缘层迁移到氧化钨质子导体栅绝缘层，激发晶体管中氧化钨产生变色；在作为栅电极的透明导电层上施加负向电压时，质子将从氧化钨质子导体膜移回至二氧化硅质子导体栅绝缘层，激发晶体管中氧化钨恢复原有颜色。...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭立强，丁建宁，凌智勇，程广贵，张忠强，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32