本實(shí)用新型專利技術(shù)公開了基于有機(jī)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(jié)構(gòu)為頂柵錯(cuò)列型結(jié)構(gòu)，主要包括：受壓后發(fā)生形變，壓力撤除后迅速恢復(fù)原狀的有機(jī)彈性體作為柵絕緣層；電學(xué)性能優(yōu)良的無機(jī)半導(dǎo)體材料作為有源層。薄膜晶體管柵極所受的壓力使有機(jī)彈性體柵絕緣層的實(shí)際厚度發(fā)生變化，從而影響柵絕緣層電容，進(jìn)而改變無機(jī)半導(dǎo)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。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本技術(shù)涉及MEMS壓力傳感器領(lǐng)域，更具體涉及一種柵絕緣層可發(fā)生彈性形變的無機(jī)半導(dǎo)體薄膜晶體管壓力傳感器。
技術(shù)介紹
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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換最終得到電壓量的變化，從而達(dá)到探測外部壓力變化的目的。這類傳感器不僅需要復(fù)雜的測量電路，并且壓力的變化經(jīng)由多種電學(xué)量轉(zhuǎn)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(jī)薄膜晶體管傳感器使用有機(jī)半導(dǎo)體材料做器件的有源層，但有機(jī)半導(dǎo)體材料的載流子遷移率低，形成的薄膜晶體管在正常工作時(shí)需要很大的偏置電壓，導(dǎo)致功耗增加，且大部分有機(jī)半導(dǎo)體材料壽命較短，嚴(yán)重影響器件電學(xué)性能的長期穩(wěn)定性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為克服上述缺點(diǎn)，本技術(shù)提出了一種以有機(jī)彈性體為柵絕緣層的無機(jī)半導(dǎo)體薄膜晶體管壓力傳感器。為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本技術(shù)提供了一套完整的技術(shù)方案：一種以有機(jī)彈性體薄膜為柵絕緣層的無機(jī)半導(dǎo)體薄膜晶體管壓力傳感器結(jié)構(gòu)，主要包括：頂柵錯(cuò)列式薄膜晶體管結(jié)構(gòu)；有機(jī)彈性體柵絕緣層；電學(xué)性能優(yōu)良的無機(jī)半導(dǎo)體有源層。所述頂柵錯(cuò)列式薄膜晶體管結(jié)構(gòu)，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(zhì)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(cè)，不影響有機(jī)彈性體/無機(jī)半導(dǎo)體界面，有利于提高器件的穩(wěn)定性。所述頂柵錯(cuò)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(cuò)列式結(jié)構(gòu)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(jī)半導(dǎo)體有源層，使器件的源/漏接觸位于無機(jī)半導(dǎo)體有源層的下表面，并對無機(jī)半導(dǎo)體有源層表面進(jìn)行處理得到平坦表面，然后淀積有機(jī)彈性體柵絕緣層，最后淀積覆蓋整個(gè)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(cuò)列式薄膜晶體管的柵電極位于整個(gè)器件的頂部，源/漏電極與無機(jī)半導(dǎo)體有源層的下表面接觸，而頂部柵電極控制無機(jī)半導(dǎo)體有源層上表面形成導(dǎo)電溝道，即源/漏接觸與頂部柵電極位于無機(jī)半導(dǎo)體有源層的上下不同側(cè)。所述有機(jī)彈性體材料用于薄膜晶體管的柵絕緣層，有機(jī)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(jī)彈性體材料相比于以空氣為電介質(zhì)的晶體管傳感器具有靈敏度更高，性能更加穩(wěn)定的特點(diǎn)。所述薄膜晶體管的有源層為電學(xué)性能優(yōu)良的無機(jī)半導(dǎo)體材料，相比于有機(jī)半導(dǎo)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(diǎn)。本技術(shù)采用的頂柵錯(cuò)列式薄膜晶體管結(jié)構(gòu)，頂部柵極絕緣層能隨外界應(yīng)力發(fā)生形變，直接導(dǎo)致器件漏極電流的變化。柵電極與源/漏電極位于半導(dǎo)體有源層上下不同側(cè)，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；有機(jī)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(fù)，用于所述無機(jī)半導(dǎo)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(jìn)而影響器件的漏極電流。電學(xué)性能優(yōu)良的無機(jī)半導(dǎo)體有源層，其載流子遷移率比較大，化學(xué)性質(zhì)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(jī)半導(dǎo)體薄膜晶體管的電學(xué)性能及長期穩(wěn)定性。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：本技術(shù)提出的以有機(jī)彈性體薄膜為柵絕緣層的無機(jī)半導(dǎo)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(jìn)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，本技術(shù)提出的壓力傳感器的檢測電路更為簡單；與有機(jī)薄膜晶體管壓力傳感器相比，器件正常工作時(shí)所需偏置電壓小，功耗低，和具有更高的器件長期穩(wěn)定性。附圖說明圖1為有機(jī)彈性體為柵絕緣層的無機(jī)半導(dǎo)體薄膜晶體管壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為有機(jī)彈性體為柵絕緣層的無機(jī)半導(dǎo)體薄膜晶體管壓力傳感器的工作原理圖。圖3為實(shí)例中有機(jī)彈性體為柵絕緣層的無機(jī)半導(dǎo)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(guān)系。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施實(shí)例及附圖，對本技術(shù)做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但本技術(shù)的實(shí)施方式不限于此，需指出的是，以下若有未特別詳細(xì)說明之過程或原料參數(shù)，均是本領(lǐng)域技術(shù)人員可參照現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)或理解的。參照圖1，本實(shí)例給出了有機(jī)彈性體為柵絕緣層的無機(jī)半導(dǎo)體薄膜晶體管壓力傳感器的一種具體實(shí)施例，其主要材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)包括：頂柵錯(cuò)列式薄膜晶體管；聚二甲基硅氧烷(PDMS)有機(jī)彈性體作為柵絕緣層；非晶銦鎵鋅氧(a-IGZO)無機(jī)半導(dǎo)體作為有源層。薄膜晶體管(TFT)器件總長為20μm，寬為180μm，為頂柵錯(cuò)列式結(jié)構(gòu)，“頂柵”是指本技術(shù)所述薄膜晶體管的柵電極位于整個(gè)器件的頂部，“錯(cuò)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(dǎo)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(cè)。其中有源層溝道長度L＝10μm，溝道寬度W＝180μm。實(shí)例器件采用玻璃襯底，襯底上厚度為5nm的Ti和20nm的Au構(gòu)成雙層的Au/Ti源漏電極，源漏電極的
長度均為5μm，源漏電極上方的有源層使用厚度為30nm的無機(jī)半導(dǎo)體非晶銦鎵鋅氧(a-IGZO)，由磁控濺射法淀積的a-IGZO薄膜中各化學(xué)組分比為In：Ga：Zn＝1：0.9：0.6。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-IGZO薄膜的凸出部分，從而獲得平坦的上表面，PDMS有機(jī)彈性體柵絕緣層薄膜的初始厚度t0為500nm，其制備過程如下：將聚二甲基硅氧烷(PDMS)預(yù)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-IGZO有源層上，待其完全交聯(lián)固化后即得到PDMS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(gè)器件頂部的氧化銦錫(ITO)電極作為器件的柵電極。本實(shí)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33kΩ，垂直作用于柵極上表面的壓力為0N～1.008×10-3N，并以7.2×10-5N的間隔逐步增加。實(shí)例得到的基于PDMS柵絕緣層的a-IGZO 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)所述本技術(shù)實(shí)例，器件柵極上表面的面積為180μm×20μm，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0N～1.008×10-3N(0MPa～0.28MPa)以7.2×10-5N(0.02MPa)的間隔逐步增加，柵極受壓變化導(dǎo)致PDMS柵絕緣層厚度變化，在本實(shí)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9.27×10-5A增加至1.45×10-4A，則本實(shí)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(guān)系可表示為本實(shí)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本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
基于有機(jī)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(cuò)列式薄膜晶體管、有機(jī)彈性體柵絕緣層和無機(jī)半導(dǎo)體有源層；所述頂柵錯(cuò)列式結(jié)構(gòu)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(jī)半導(dǎo)體有源層，使器件的源/漏接觸位于無機(jī)半導(dǎo)體有源層的下表面，無機(jī)半導(dǎo)體有源層表面為平坦表面，在無機(jī)半導(dǎo)體有源層表面淀積有機(jī)彈性體柵絕緣層，最后淀積覆蓋整個(gè)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(cuò)列式薄膜晶體管的柵電極位于整個(gè)器件的頂部，源/漏電極與無機(jī)半導(dǎo)體有源層的下表面接觸，而頂部柵電極控制無機(jī)半導(dǎo)體有源層上表面形成導(dǎo)電溝道，即源/漏接觸與頂部柵電極位于無機(jī)半導(dǎo)體有源層的上下不同側(cè)。
【技術(shù)特征摘要】
1.基于有機(jī)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(cuò)列式薄膜晶體管、有機(jī)彈性體柵絕緣層和無機(jī)半導(dǎo)體有源層；所述頂柵錯(cuò)列式結(jié)構(gòu)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(jī)半導(dǎo)體有源層，使器件的源/漏接觸位于無機(jī)半導(dǎo)體有源層的下表面，無機(jī)半導(dǎo)體有源層表面為平坦表面，在無機(jī)半導(dǎo)體有源層表面淀積有機(jī)彈性體柵絕緣層，最后淀積覆蓋整個(gè)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...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：姚若河，蔡旻熹，劉玉榮，韋崗，
申請(專利權(quán))人：華南理工大學(xué)，
類型：新型
國別省市：廣東;44
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