基于有機彈性體柵絕緣層的薄膜晶體管壓力傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了基于有機彈性體柵絕緣層的薄膜晶體管壓力傳感器。該壓力傳感器結構為頂柵錯列型結構，主要包括：受壓后發(fā)生形變，壓力撤除后迅速恢復原狀的有機彈性體作為柵絕緣層；電學性能優(yōu)良的無機半導體材料作為有源層。薄膜晶體管柵極所受的壓力使有機彈性體柵絕緣層的實際厚度發(fā)生變化，從而影響柵絕緣層電容，進而改變無機半導體薄膜晶體管的漏極電流，通過對漏極電流的檢測即可反映柵極所受壓力的大小。
【專利說明】
基于有機彈性體柵絕緣層的薄膜晶體管壓力傳感器
技術領域
[0001]本實用新型涉及MEMS壓力傳感器領域，更具體涉及一種柵絕緣層可發(fā)生彈性形變的無機半導體薄膜晶體管壓力傳感器。
【背景技術】
[0002]傳統(tǒng)的壓力式傳感器主要包括電阻式、電感式以及電容式三大類，分別通過器件主要組成結構的電阻、電感以及電容在外部壓力下發(fā)生變化，再利用測量電路將這三種物理量的變化經(jīng)過一系列處理和轉換最終得到電壓量的變化，從而達到探測外部壓力變化的目的。這類傳感器不僅需要復雜的測量電路，并且壓力的變化經(jīng)由多種電學量轉換易造成較大誤差，不利于壓力傳感器精度的提高。近年來出現(xiàn)的有機薄膜晶體管傳感器使用有機半導體材料做器件的有源層，但有機半導體材料的載流子迀移率低，形成的薄膜晶體管在正常工作時需要很大的偏置電壓，導致功耗增加，且大部分有機半導體材料壽命較短，嚴重影響器件電學性能的長期穩(wěn)定性。
【實用新型內(nèi)容】
[0003]為克服上述缺點，本實用新型提出了一種以有機彈性體為柵絕緣層的無機半導體薄膜晶體管壓力傳感器。
[0004]為了實現(xiàn)上述實用新型目的，本實用新型提供了一套完整的技術方案:
[0005]—種以有機彈性體薄膜為柵絕緣層的無機半導體薄膜晶體管壓力傳感器結構，主要包括:頂柵錯列式薄膜晶體管結構;有機彈性體柵絕緣層;電學性能優(yōu)良的無機半導體有源層。所述頂柵錯列式薄膜晶體管結構，區(qū)別于傳統(tǒng)的電容式壓力傳感器，通過檢測薄膜晶體管漏極電流而非電介質層電容的變化，直接反映柵極所受壓力情況;源/漏電極與頂部柵電極分布在有源層上下不同側，不影響有機彈性體/無機半導體界面，有利于提高器件的穩(wěn)定性。
[0006]所述頂柵錯列式薄膜晶體管通過其漏極輸出電流Id的變化直接反映柵極所受壓力情況;頂柵錯列式結構具體為:首先在襯底上淀積源/漏電極，隨后淀積覆蓋源/漏電極的無機半導體有源層，使器件的源/漏接觸位于無機半導體有源層的下表面，并對無機半導體有源層表面進行處理得到平坦表面，然后淀積有機彈性體柵絕緣層，最后淀積覆蓋整個器件頂部區(qū)域的頂部柵電極薄層，并使之具有平坦的表面;所述頂柵錯列式薄膜晶體管的柵電極位于整個器件的頂部，源/漏電極與無機半導體有源層的下表面接觸，而頂部柵電極控制無機半導體有源層上表面形成導電溝道，即源/漏接觸與頂部柵電極位于無機半導體有源層的上下不同側。
[0007]所述有機彈性體材料用于薄膜晶體管的柵絕緣層，有機彈性體柵絕緣層采用具有優(yōu)良絕緣性和高介電常數(shù)的有機彈性體材料相比于以空氣為電介質的晶體管傳感器具有靈敏度更高，性能更加穩(wěn)定的特點。所述薄膜晶體管的有源層為電學性能優(yōu)良的無機半導體材料，相比于有機半導體薄膜晶體管傳感器具有靈敏度更高、功耗更低、長期穩(wěn)定性更好的特點。
[0008]本實用新型采用的頂柵錯列式薄膜晶體管結構，頂部柵極絕緣層能隨外界應力發(fā)生形變，直接導致器件漏極電流的變化。柵電極與源/漏電極位于半導體有源層上下不同側，有利于形成良好的柵絕緣層/有源層界面，提高器件穩(wěn)定性；
[0009]有機彈性體柵絕緣層，受壓后發(fā)生彈性形變，壓力撤除后迅速恢復，用于所述無機半導體薄膜晶體管頂部柵絕緣層，可隨柵極平面壓力在厚度方向上發(fā)生形變，使器件的柵絕緣層厚度產(chǎn)生變化，進而影響器件的漏極電流。
[0010]電學性能優(yōu)良的無機半導體有源層，其載流子迀移率比較大，化學性質穩(wěn)定，用作薄膜晶體管的有源層可獲得優(yōu)于大部分有機半導體薄膜晶體管的電學性能及長期穩(wěn)定性。
[0011]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有如下優(yōu)點和技術效果:
[0012]本實用新型提出的以有機彈性體薄膜為柵絕緣層的無機半導體壓力傳感器，能直接通過器件漏極輸出電流的變化對器件頂部柵極的壓力大小進行檢測，在一定壓力范圍內(nèi)具有較高的敏感度。相比于電容式壓力傳感器，本實用新型提出的壓力傳感器的檢測電路更為簡單；與有機薄膜晶體管壓力傳感器相比，器件正常工作時所需偏置電壓小，功耗低，和具有更高的器件長期穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0013]圖1為有機彈性體為柵絕緣層的無機半導體薄膜晶體管壓力傳感器的結構示意圖。
[0014]圖2為有機彈性體為柵絕緣層的無機半導體薄膜晶體管壓力傳感器的工作原理圖。
[0015]圖3為實例中有機彈性體為柵絕緣層的無機半導體薄膜晶體管壓力傳感器的漏極輸出電流Id與柵極壓力P的關系。
【具體實施方式】
[0016]下面結合實施實例及附圖，對本實用新型做進一步的詳細說明，但本實用新型的實施方式不限于此，需指出的是，以下若有未特別詳細說明之過程或原料參數(shù)，均是本領域技術人員可參照現(xiàn)有技術實現(xiàn)或理解的。
[0017]參照圖1，本實例給出了有機彈性體為柵絕緣層的無機半導體薄膜晶體管壓力傳感器的一種具體實施例，其主要材料和結構特點包括:頂柵錯列式薄膜晶體管;聚二甲基硅氧烷(PDMS)有機彈性體作為柵絕緣層;非晶銦鎵鋅氧(a-1GZO)無機半導體作為有源層。薄膜晶體管(TFT)器件總長為20μπι，寬為180μπι，為頂柵錯列式結構，“頂柵”是指本實用新型所述薄膜晶體管的柵電極位于整個器件的頂部，“錯列”是指源/漏電極與有源層的下表面接觸，而頂部柵電極控制有源層上表面形成導電溝道，即源/漏接觸與頂部的柵極位于有源層的上下不同側。其中有源層溝道長度L=1ym,溝道寬度W=180ym。實例器件采用玻璃襯底，襯底上厚度為5nm的Ti和20nm的Au構成雙層的Au/Ti源漏電極，源漏電極的長度均為5μπι，源漏電極上方的有源層使用厚度為30nm的無機半導體非晶銦鎵鋅氧(a-1GZO)，由磁控濺射法淀積的a-1GZO薄膜中各化學組分比為In:Ga:Zn=l:0.9:0.6。為了獲得與PDMS間的平坦的界面，采用干法刻蝕處理源漏電極正上方的a-1GZO薄膜的凸出部分，從而獲得平坦的上表面，PDMS有機彈性體柵絕緣層薄膜的初始厚度to為500nm，其制備過程如下:將聚二甲基硅氧烷(PDMS)預聚體與固化劑(含鉑催化劑的帶硅氫基的交聯(lián)劑)按體積比為10:1混合并攪拌均勻，真空脫氣后澆注到已通過刻蝕獲得平坦表面的a-1GZO有源層上，待其完全交聯(lián)固化后即得到TOMS彈性體柵絕緣層，其厚度由澆注的混合體的體積決定。最后器件頂部采用厚度為50nm的覆蓋整個器件頂部的氧化銦錫(ITO)電極作為器件的柵電極。
[0018]本實例所述壓力傳感器的工作原理圖如圖2，其中Vd為15V，VGS=10V，為使器件工作于飽和區(qū)，Rd的值為33k Ω，垂直作用于柵極上表面的壓力為ON?1.008 X 10—3N,并以7.2X 10—5N的間隔逐步增加。
[0019]實例得到的基于PDMS柵絕緣層的a-1GZO TFT壓力傳感器的漏極輸出電流Id隨柵極壓力變化的曲線如圖3。其測試過程如下:在器件頂部柵電極的上表面均勻地施加垂直于該表面的平面壓力，根據(jù)所述本實用新型實例，器件柵極上表面的面積為180μπιΧ20μπι，柵極所加壓力的大小用P(MPa)來表示其表面每平方毫米所受的壓力(N/mm2)。對柵極上表面施加的壓力從ON?I.008 X 10—3N(0MPa?0.28MPa)以7.2 X 10—5N(0.02MPa)的間隔逐步增加，柵極受壓變化導致PDMS柵絕緣層厚度變化，在本實例圖2中表現(xiàn)為器件的漏極輸出電流的變化，隨柵極壓力逐步增大，器件的飽和漏極輸出電流從9.27 X 10—5A增加至1.45 X 10—4A,則本實例所述壓力傳感器的漏極輸出電流Id(A)隨柵極所加平面壓力P(MPa)的變化關系可表示為本實例圖3所示的曲線，該曲線的斜率可表征薄膜晶體管壓力傳感器的靈敏度。定義壓力傳感器的靈敏度為S= Δ Id/ Δ P。根據(jù)圖3的結果可見，當器件柵極受壓力較小時，TOMS柵絕緣層發(fā)生的形變比較小，Id隨P的變化基本上是線性的，即傳感器的靈敏度基本保持不變，從圖3中提取得到在較小壓力下(〈0.1MPa)器件的靈敏度為S = 0.119mA/MPa，而當柵極壓力增加到使PDMS薄膜厚度減少至接近初始厚度的50%時(P?0.28MPa)，敏感度上升到約為S = 0.351mA/MPa。
【主權項】
1.基于有機彈性體柵絕緣層的薄膜晶體管壓力傳感器，通過直接檢測漏極輸出電流Id的大小變化得到柵極所受壓力的大小變化，其特征在于包括頂柵錯列式薄膜晶體管、有機彈性體柵絕緣層和無機半導體有源層;所述頂柵錯列式結構具體為:源/漏電極淀積在襯底上，再淀積覆蓋源/漏電極的無機半導體有源層，使器件的源/漏接觸位于無機半導體有源層的下表面，無機半導體有源層表面為平坦表面，在無機半導體有源層表面淀積有機彈性體柵絕緣層，最后淀積覆蓋整個器件頂部區(qū)域的頂部柵電極薄層，并使頂部柵電極薄層具有平坦的表面;所述頂柵錯列式薄膜晶體管的柵電極位于整個器件的頂部，源/漏電極與無機半導體有源層的下表面接觸，而頂部柵電極控制無機半導體有源層上表面形成導電溝道，即源/漏接觸與頂部柵電極位于無機半導體有源層的上下不同側。2.根據(jù)權利要求1所述的基于有機彈性體柵絕緣層的薄膜晶體管壓力傳感器，其特征在于:所述有機彈性體柵絕緣層采用經(jīng)固化的有機硅彈性體。3.根據(jù)權利要求1所述的基于有機彈性體柵絕緣層的薄膜晶體管壓力傳感器，其特征在于:所述薄膜晶體管的無機半導體有源層為非晶硅、多晶硅或目前已有的金屬氧化物半導體。
【文檔編號】G01L9/00GK205620072SQ201521077671
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年12月20日
【發(fā)明人】姚若河, 蔡旻熹, 劉玉榮, 韋崗
【申請人】華南理工大學