利用纳米线获得超高等效迁移率晶体管的方法与器件

本发明涉及一种利用纳米线获得超高等效迁移率晶体管的方法与器件，尤其涉及超高密度周期性回转结构纳米线栅控沟道层的设计和制备方法，涉及半导体工艺与制造领域。

背景技术：

1、目前驱动显示的有源矩阵tft的栅极由金属(a l、mo、n i及这些金属的合金)或导电金属氧化物(i to)组成，栅极为膜结构，无可形貌设计能力，沟道区域的宽长比由源/漏电极的形状结构决定，由宽长比决定、计算得到的tft迁移率仍停留在较低水平，如i gzo材料的迁移率约为10-20cm2/(v·s)。

2、本科研团队曾提出过若干纳米线的生长方法，如基于平面固液固(ipsls)生长模式，采用非晶硅作为前驱体，由低熔点金属铟、锡纳米颗粒吸收非晶硅而生长出晶硅纳米线结构。ipsls生长纳米线的优点在于其可编程性，通过形貌结构设计，在非晶硅前驱体中掺杂磷原子或硼原子，无需复杂的转移技术即可大批量地制备可定位可集成的高导电性纳米线。

3、新型显示技术正向柔性、超高分辨率、超快刷新率和超高亮度等方向发展，这对有源矩阵驱动tft的电学性能提出了更高要求，亟需柔性且具备高迁移率和开电流的tft以满足高速发展的显示需求。

技术实现思路

1、基于以上，本申请提供一种利用周期性回转导电纳米线的栅控能力，从提升tft沟道区域等效宽长比层面获得超高等效迁移率晶体管的方法。

2、本申请提供了一种超密周期性回转结构纳米线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、1)在刚性或柔性衬底上使用pecvd或pvd技术制备绝缘介质层；

4、2)利用光刻、电子束直写或掩膜工艺图案化引导超密周期性回转结构沟道，利用干法刻蚀工艺刻蚀所述绝缘介质层形成图形化的引导沟道，刻蚀深度为200±50nm；

5、3)在刻蚀完成的超密周期回转结构沟道末端，通过光刻工艺定位催化金属区域，并利用蒸发、溅射工艺定位沉积催化金属层，或利用旋涂、溅射工艺定位沉积对应催化金属氧化层；

6、4)在高温真空pecvd环境下，使用还原性等离子体处理上述催化金属层或催化金属氧化层，使其转变为分离的催化金属纳米颗粒；

7、5)降低温度至催化金属颗粒熔点以下，使用非晶半导体前驱体薄膜覆盖整个上述衬底结构表面，并将温度升高至催化纳米金属颗粒熔点以上，使催化纳米金属颗粒重新熔化，在前端吸收非晶半导体前驱体层，而在后端淀积出超密周期性回转结构的晶态纳米线；

8、6)剩余的非晶半导体前驱体薄膜由氢等离子体、i cp或者r i e刻蚀工艺去除，获得具备超密周期性结构的晶态纳米线。

9、本发明还提供了一种具备超高等效迁移率的硅纳米线栅控晶体管器件的制备方法，采用上述方法制备的超密周期性回转结构的晶态纳米线，其特征在于，包括如下步骤：

10、1)利用光刻技术定义栅极图案，并利用蒸发、溅射工艺沉积导电栅极连接超密周期性回转结构的晶态纳米线；

11、2)利用pecvd、ald或旋涂工艺在所述晶态纳米线-导电栅极连接结构上沉积介质层；

12、3)利用光刻、刻蚀工艺，利用旋涂、溅射或ald工艺定位沉积沟道层，所述超密周期性回转结构的晶态纳米线位于所述沟道层下方，对所述沟道层具有栅控作用；

13、4)利用光刻工艺定位源极、漏极区域，利用蒸发或溅射工艺沉积导电源极层、漏极层，即得到由硅纳米线栅控的具备超高等效迁移率的晶体管器件。

14、作为优选，所述柔性或刚性衬底包括具有厚氧化层的晶硅或掺杂硅、玻璃、蓝宝石、铝箔、锡纸、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸。

15、步骤3)中，所述催化金属层或催化金属氧化层为i n、sn、pb、ga金属或金属合金，或者其一元或多元金属氧化物；

16、步骤5)中，所述非晶半导体前驱体层为非晶硅、非晶锗、非晶碳或其掺杂非晶合金层，或异质叠层结构。

17、作为优选，步骤1)中所述导电栅极材料为金属a l、pt、t i、au、n i或其金属叠层结构或导电i to。

18、作为优选，所述介质层包括氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化锆、氮化硅以及他们的叠层结构。

19、作为优选，所述沟道层为金属氧化物半导体、晶硅、低温多晶硅、ltpo或二维半导体材料。

20、作为优选，所述源极、漏极为金属a l、pt、t i、au、n i或其金属叠层结构或导电ito。

21、本发明还公开一种具备超高等效迁移率的硅纳米线栅控晶体管器件，包括衬底层，其特征在于：还包括至少一组制备于所述衬底层上的超密周期性回转结构的晶态纳米线，与所述晶态纳米线连接的导电栅极，以及沉积于所述晶态纳米线及导电栅极结构上方的绝缘介质层；位于所述晶态纳米线及导电栅极正上方的绝缘介质层上沉积有沟道层，所述沟道层的上方两侧分别沉积有源电极层、漏电极层。

22、作为优选，为了抑制杂线进入沟道区域下方对等效宽长比和等效迁移率计算的串扰，本发明还包括杂线引导沟道，所述杂线引导沟道利用光刻、电子束直写或掩膜工艺图案化结合干法刻蚀工艺，与超密周期性回转结构沟道一同制备形成。

23、本申请提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

24、本发明通过纳米线的形貌设计特点与优势，引入超密周期性回转结构纳米线作为沟道层的栅电极控制材料，纳米线的延展长度等效为沟道宽度，在原有沟道区域空间大小不变的条件下，周期性回转结构纳米线将沟道层的宽长比大幅提升，进而获得由纳米线栅控的超高等效迁移率晶体管器件。

25、本发明利用纳米线栅控沟道层材料，获得兼具高集成度和高迁移率的tft，有望突破长期以来显示技术中超高分辨率和超快刷新率技术矛盾的关键瓶颈，引领显示技术向多维度共同发展。

26、本发明利用纳米线获得超高等效迁移率晶体管的方法与器件，该方法能够有效提升有源矩阵显示驱动的集成度，在沟道区域大小不改变的条件下，大幅提升金属氧化物、非晶硅、低温多晶硅、ltpo或二维材料的tft器件等效迁移率，且工艺匹配度高。

技术特征：

1.一种超密周期性回转结构纳米线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.一种具备超高等效迁移率的硅纳米线栅控晶体管器件的制备方法，采用权利要求1方法制备的超密周期性回转结构的晶态纳米线，其特征在于，包括如下步骤：

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述柔性或刚性衬底包括具有厚氧化层的晶硅或掺杂硅、玻璃、蓝宝石、铝箔、锡纸、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3）中，所述催化金属层或催化金属氧化层为in、sn、pb、ga金属或金属合金，或者其一元或多元金属氧化物；

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1）中所述导电栅极材料为金属al、pt、ti、au、ni或其金属叠层结构或导电ito。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述介质层包括氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化锆、氮化硅以及他们的叠层结构。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述沟道层为金属氧化物半导体、晶硅、低温多晶硅、ltpo或二维半导体材料。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述源极、漏极为金属al、pt、ti、au、ni或其金属叠层结构或导电ito。

9.具备超高等效迁移率的硅纳米线栅控晶体管器件，包括衬底层，其特征在于：还包括至少一组制备于所述衬底层上的超密周期性回转结构的晶态纳米线，与所述晶态纳米线连接的导电栅极，以及沉积于所述晶态纳米线及导电栅极结构上方的绝缘介质层；位于所述晶态纳米线及导电栅极正上方的绝缘介质层上沉积有沟道层，所述沟道层的上方两侧分别沉积有源电极层、漏电极层。

10.根据权利要求2或9所述的硅纳米线栅控晶体管器件，其特征在于：还包括杂线引导沟道，所述在线引导沟道是利用光刻、电子束直写或掩膜工艺图案化结合干法刻蚀工艺，与超密周期性回转结构沟道层一同制备成。

技术总结本发明公开了一种具备超高等效迁移率的硅纳米线栅控晶体管器件的制备方法，包括利用光刻技术定义栅极图案，并利用蒸发、溅射工艺沉积导电栅极连接超密周期性回转结构的晶态纳米线；在所述晶态纳米线‑导电栅极连接结构上沉积介质层；定位沉积沟道层，所述超密周期性回转结构的晶态纳米线位于所述沟道层下方，对所述沟道层具有栅控作用；定位源极、漏极区域，沉积导电源极层、漏极层得到由硅纳米线栅控的具备超高等效迁移率的晶体管器件。本发明利用纳米线材料栅控沟道层，能够获得兼具高集成度和高迁移率的TFT，有望突破长期以来显示技术中超高分辨率和超快刷新率技术矛盾的关键瓶颈，引领显示技术向多维度共同发展。技术研发人员：余林蔚,翁乐,钱文涛,王军转受保护的技术使用者：南京大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1