CN101097966A - 结型场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结型场效应薄膜晶体管(JFETFT)，包括：在基底上形成的第一栅极；在所述第一栅极上形成的第一栅极半导体图案；在所述基底和第一导电类型第一栅极半导体图案上形成的第二导电类型半导体沟道层；和在位于所述第一导电栅极半导体图案两侧的所述第二导电类型半导体图案上形成的源极和漏极。所述JFETFT还可以包括在所述源极和漏极之间的第二导电类型半导体沟道层的一部分上形成的第一导电类型第二栅极半导体图案；和在所述第一导电类型第二栅极半导体图案上形成的第二栅极。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄膜晶体管(TFT)，更具体地涉及一种结型场效应晶体管。
背景技术
薄膜晶体管(TFT)是在液晶显示装置或有机电致发光(EL)显示装置或存储装置中所使用的开关装置，并且通常具有如在图1中所示出的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)结构。
参考图1，传统的TFT包括预定基底10例如在其上顺序形成栅极20和栅极绝缘层25的硅、作为沟道层在栅极绝缘层25和在基底10上形成的半导体层30、和在半导体层30的上表面的两侧形成的源极40a和漏极40b。
栅极绝缘层25可以由通常通过热处理形成的氧化物层形成，并且半导体层30可以由例如氧化铟锌(IZO)的金属氧化物形成。
在传统TFT中，沟道，即源极40a和漏极40b的电连接路径，可以通过对栅极20施加比阈值电压Vt大的电压而在相邻于栅极绝缘层25的半导体层30内形成。换而言之，施加到栅极20上的电压确定是否形成沟道，并且由此通过沟道确定切换。
但是，当相邻于栅极绝缘层25的半导体层30的部分被用作传统TFT中的沟道时，在栅极绝缘层25和半导体层30的界面(部分A)存在许多缺陷，导致载流子迁移率的下降。此后，将参考图2至图5描述这样的载流子迁移率下降的问题。
图2示出了三明治型结构的截面图，其中第一电极E1、IZO层S、和第二电极E2顺序层叠。图3示出了图2的三明治结构的电压-电流特性曲线图。第一电极E1由钨(W)形成并且第二电极E2由铂(Pt)形成。在表1中示出了根据各种条件的第一IZO层和第二IZO层的电阻率。第一IZO层在30％的[O2/(O2+Ar)]氧浓度下形成，而第二IZO层在40％的[O2/(O2+Ar)]氧浓度下形成。
表1
| IZO表面区(μm2) | IZO厚度(nm) | 施加0.5V时的电阻(Mohm) | 施加-0.5V时的电阻(Mohm) | 平均电阻(Mohm) | 电阻率(ohm-cm) | |
| 第一IZO层 | 30×30 | 50 | 18.2 | 15.4 | 16.8 | 3.0×109 |
| 第二IZO层 | 30×30 | 40 | 56.3 | 27.9 | 42.1 | 9.0×109 |
图4示出了平面型结构的截面图，其中第一电极E1和第二电极E2在IZO层S上分离，并且图5是示出根据图4的平面型结构的IZO层S的形成条件的电阻率的曲线图。
比较表1和图5，三明治型结构的IZO层S具有大约～109ohm-cm的电阻率，而平面型结构的IZO层S具有大约～10-2ohm-cm的电阻率。即，平面型结构的IZO层S的电阻率明显小于三明治结构。
这样的结果是由于所述三明治型结构而产生的，其中IZO层S的下表面形成在第一电极E1上，即第一电极E1和IZO层S的界面被用作电流路径，并且由此由于IZO层与第一电极E1相邻的缺陷而显著地降低了载流子的迁移率。
因而，具有如图1所示的相邻于栅极绝缘层25的半导体层30的一部分作为沟道的传统TFT，在增加运行速度和改善传统TFT的性能方面具有局限性。
此外，在传统TFT中，由于主要使用栅极绝缘层25，所以栅极绝缘层25不得不被充电以打开TFT，并且由此降低了运行速度并且增加了功耗。此外，为了获得高质量的栅极绝缘层25，需要高温工艺，并且这样的高温工艺可以恶化传统TFT的性能，并且限制所使用的基底类型。例如，在需要高温工艺的TFT制造工艺中不可以使用塑料基底。
发明内容
本发明公开了一种结型场效应薄膜晶体管(JFETFT)，可以解决由于使用具有缺陷的半导体层的界面作为沟道而引起的载流子迁移率的降低、由于使用栅极绝缘层引起的运行速度降低和功耗增加、以及由于高温工艺而引起的问题。
根据本发明的一个方面，公开了一种结型场效应薄膜晶体管(JFETFT)，包括：在基底上形成的第一栅极；在第一栅极上形成的第一导电类型第一栅极半导体图案；在基底和第一导电类型第一栅极半导体图案上形成的第二导电类型半导体沟道层；和在位于第一导电类型栅半导体图案两侧的第二导电类型半导体图案上形成的源极和漏极。
根据本发明的另一个方面，JFETFT还可以包括：在源极和漏极之间的第二导电类型半导体沟道层的一部分上形成的第一导电类型第二栅极半导体图案；和在第一导电类型第二栅极半导体图案上形成的第二栅极。第二栅极可以电连接到第一栅极。
基底可以由从包括硅、石英、玻璃和塑料的组中所选择的材料形成。
第一和第二栅极可以由金属氧化物层形成。
第一导电类型第一栅极半导体图案和第二导电类型半导体沟道层可以是透明导电氧化物层。
第一导电类型第一栅极半导体图案可以是p型半导体，而第二导电类型半导体沟道层可以是n型半导体。
第一导电类型第一栅极半导体图案可以由从包括NiO、MgZnO、CuO、和SrCu2O2的组中所选择的材料形成。
第二导电类型半导体沟道层可以由从包括ZnO、SnO2、IZO、Ga-In-Zn-O的组中所选择的材料形成。
第一栅极和第一导电类型第一栅极半导体图案可以相互欧姆接触。
第二栅极和第一导电类型第二栅极半导体图案可以相互欧姆接触。
附图说明
通过参考附图详细描述本发明的典型实施例，本发明的上述和其它特征和优点将变得更为显见，其中：
图1示出了传统薄膜晶体管(TFT)的截面图；
图2示出了三明治型结构的截面图，其中顺序形成第一电极、氧化铟锌(IZO)层和第二电极层；
图3是示出图2的三明治型结构的电压-电流特性的曲线图；
图4示出了平面型结构的截面图，其中在IZO层的上表面上第一电极和第二电极分离；
图5是示出图4的IZO层的电阻率根据IZO层形成条件的曲线图；
图6示出了根据本发明实施例的结型场效应薄膜晶体管(JFETFT)的截面图；
图7示出了根据本发明另一实施例的JFETFT的截面图；
图8和9是示出在本发明中所使用的氧化物层的pn结的整流特性的曲线图。
具体实施方式
现将参考附图更详细地描述本发明，其中示出了本发明的典型实施例。在附图中，为清楚起见夸大了层和区的厚度。
首先，将简要描述本发明的技术原理。本发明公开了一种具有pn结，并且不是传统金属氧化物半导体(MOS)结构的结型场效应薄膜晶体管(JFETFT)。例如，n型半导体被用作沟道的半导体层，并且p型半导体被用作栅极材料，并且从两种材料的结区产生的耗尽区的尺寸受到控制以将薄膜晶体管(TFT)切换为开和关。在这种情形，沟道形成于半导体层内部，而不在半导体层的界面上，并且因而与使用界面作为沟道的传统TFT相比，显著提高了载流子的迁移率。
根据本发明当前实施例的JFETFT不需要栅极绝缘层，并且因而可以基本避免由于引入栅极绝缘层而引起的运行速度降低和功耗增加，并且可以避免由高温工艺所引起的问题。此后，将参考图6和7详细描述根据本发明当前实施例的JFETFT。
图6示出了根据本发明实施例的JFETFT的截面图。所述JFETFT包括在基底100上形成的栅极200、在栅极200上形成的第一导电类型栅极半导体图案250、在基底100上形成以便覆盖第一导电类型栅极半导体图案250的第二导电类型半导体沟道层300、和在位于第一导电类型栅极半导体图案250两侧的第二导电类型半导体图案300上形成的源极400a和漏极400b。
基底100可以是硅基底、石英基底、玻璃基底或塑料基底。
栅极200可以是贵金属氧化物，例如IrO2、RuO2等和包括高导电性的NiOx的金属氧化物。
第一导电类型栅极半导体图案250可以是p型半导体，包括NiO、MgZnO、CuO、SrCu2O2或非晶透明导电氧化物(TCO)。
第二导电类型半导体沟道层300可以是n型半导体，包括ZnO、SnO2、氧化铟锌(IZO)、Ga-In-Zn-O、或非晶TCO。
栅极200和第一导电类型栅极半导体图案250相互欧姆接触。
下面的表2示出了可以在本发明中使用的半导体氧化物的一些特性。
表2
| 种类 | 电子亲和势(eV) | 能隙(eV) | 功函(eV) | 导电类型 |
| ZnO | 4.20 | 3.30 | 4.25 | n |
| SnO2 | 4.49 | 3.80 | 4.53 | n |
| IZO | 4.30 | 3.10～3.60 | 4.90～5.30 | n |
| NiO | 1.40 | 3.47 | 4.77 | p |
| MgZnO | - | 3.00～3.40 | - | p |
| CuO | 4.10 | 1.35 | 5.30 | p |
| SrCu2O2 | - | 3.30 | 5.00 | p |
如在图6中示出的根据本发明当前实施例的JFETFT中，当预定电压施加到栅极200、源极400a和漏极400b时，例如，当负电压施加到栅极200、且第一正电压施加到源极400a、第二正电压施加到漏极400b时，则环绕第一导电类型栅极半导体图案250和第二导电类型半导体沟道层300的结可以形成耗尽层。通过控制耗尽层的尺寸，所述JFETFT被切换为开和关。
即在根据本发明当前实施例的JFETFT中，沟道形成于第二导电类型半导体沟道层300的内部而不是在界面上，并且因而显著提高了载流子的迁移率。
此外，如上所述，由于在本发明当前实施例中的JFETFT未使用栅极绝缘层，所以可以基本避免由于引入栅极绝缘层而产生的诸如运行速度降低和功耗增高的问题。
另外，由于透明半导体图案由金属氧化物在比需要高温工艺的栅极绝缘层低的温度下形成，所以可以避免由高温工艺所引起的问题。因而，避免了由高温工艺所引起的性能恶化。此外，在根据本发明当前实施例的JFETFT中可以采用耐热性相对较低的塑料基底。因而，可以实现柔性、透明、和可靠的JFETFT半导体装置。
图7是根据本发明另一实施例的JFETFT的截面图。所述JFETFT包括在基底100上的第一栅极200a、在第一栅极200a上形成的第一栅极半导体图案250a、在基底100上形成以便覆盖第一导电类型栅极半导体图案250a的第二导电半导体沟道层300、和在位于第一导电类型第一栅极半导体图案250a两侧的第二导电类型半导体沟道层300上形成的源极400a和漏极400b，在源极400a和漏极400b之间的第二导电类型半导体沟道层300的一部分上形成的第一导电类型第二栅极半导体图案250b、和在第一导电类型第二栅极半导体图案250b上形成的第二栅极200b。尽管未在图7中示出，第二栅极200b可以电连接到第一栅极200a。第二栅极200b和第一栅极200a可以通过形成接触孔和布线而被电连接。为此，第一和第二栅极200a和200b可以形成为其它形状。
在图7中所示出的JFETFT用与图6中的JFETFT一样的材料形成，此外还包括第一导电类型第二栅极半导体图案250b和第二栅极200b。第一导电类型第二栅极半导体图案250b和第二栅极200b用与图6的第一导电类型第一栅极半导体图案250和第一栅极200相同的材料形成。
在图7的JFETFT中，当栅极半导体图案和栅极的层叠结构在半导体沟道层300的上下两侧成对平行形成时，形成了两个耗尽层，并且通过所述两个耗尽层，TFT被切换到开和关。因而，图7的JFETFT可以具有比图6的JFETFT更强的开/关控制能力。换而言之，通过避免在图7的JFETFT中的漏电流，可以获得高的开/关电流比。
图8和9是示出在本发明中所使用的氧化物层的pn结的整流特性的曲线图。参考图8，IZO被用作半导体沟道层而NiO被用作栅极半导体图案，参考图9，ZnO被用作半导体沟道层，而SrCu2O2被用作栅极半导体图案。
下面的表3示出了根据载流子密度(Nd)和施加的栅电压(Vg)的耗尽层宽度的计算值，并且因而显示在相对低的载流子密度(Nd)和低的栅电压(Vg)下可以实现完全耗尽的IZO沟道。
表3
| 条件 | 根据栅电压的耗尽层的宽度(Vg) | ||
| 0.3V | -0.3V | -1.0V | |
| Nd＝1017cm-3 | 140nm | 280nm | 386nm |
| Nd＝1019cm-3 | 14nm | 28nm | 39nm |
如上所述，在用于沟道的半导体层与栅极材料之间形成pn结，并控制所述pn结的耗尽层的尺寸，以便所述pn结被用于根据本发明的JFETFT中沟道的半导体的内部而不是界面上。因而，所述JFETFT比使用半导体层的界面作为沟道的传统MOS型TFT具有大得多的载流子迁移率。
此外，根据本发明的JFETFT不包括栅极绝缘层，并且因而可以基本避免由于引入栅极绝缘层而引起的诸如运行速度降低和功耗增加的问题，和由于高温工艺所引起的问题。
具体地，透明导电氧化物层可以被用作TFT材料，并且塑料基底可以被用作基底。因而本发明可以实现柔性且透明的半导体装置。
尽管参考典型实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域的普通技术人员应当理解可以进行各种形式和细节上的变更。例如，可以改变栅极、栅极半导体图案、源极和漏极的形状和位置。因而，本发明的精神和范围应当由所附权利要求而不是上述示意性的实施例所界定。
Claims (15)
1.一种结型场效应薄膜晶体管，包括：
在基底上形成的第一栅极；
在所述第一栅极上形成的第一导电类型第一栅极半导体图案；
在所述基底和第一导电类型第一栅极半导体图案上形成的第二导电类型半导体沟道层；和
在位于所述第一导电类型栅极半导体图案两侧的所述第二导电类型半导体图案上形成的源极和漏极。
2.根据权利要求1的结型场效应薄膜晶体管，其中所述基底由从包括硅、石英、玻璃和塑料的组中所选择的材料形成。
3.根据权利要求1的结型场效应薄膜晶体管，其中所述第一栅极由金属氧化物层形成。
4.根据权利要求1的结型场效应薄膜晶体管，其中所述第一导电类型栅极半导体图案和第二导电类型半导体沟道层是透明导电氧化物层。
5.根据权利要求1的结型场效应薄膜晶体管，其中所述第一导电类型第一栅极半导体图案是p型半导体，并且所述第二导电类型半导体沟道层是n型半导体。
6.根据权利要求1的结型场效应薄膜晶体管，其中所述第一导电类型第一栅极半导体图案由从包括NiO、MgZnO、CuO、和SrCu2O2的组中所选择的材料形成。
7.根据权利要求1的结型场效应薄膜晶体管，其中所述第二导电类型半导体沟道层由从包括ZnO、SnO2、IZO、和Ga-In-Zn-O的组中所选择的材料形成。
8.根据权利要求1的结型场效应薄膜晶体管，其中所述第一栅极和所述第一导电类型第一栅极半导体图案相互欧姆接触。
9.根据权利要求1的结型场效应薄膜晶体管，还包括：在所述源极和漏极之间的第二导电类型半导体沟道层的一部分上形成的第一导电类型第二栅极半导体图案；和在所述第一导电类型第二栅极半导体图案上形成的第二栅极。
10.根据权利要求9的结型场效应薄膜晶体管，其中所述第二栅极电连接到所述第一栅极。
11.根据权利要求9的结型场效应薄膜晶体管，其中所述第二栅极由金属氧化物层形成。
12.根据权利要求9的结型场效应薄膜晶体管，其中所述第一导电类型第二栅极半导体图案和第二导电类型半导体沟道层是透明导电氧化物层。
13.根据权利要求9的结型场效应薄膜晶体管，其中所述第一导电类型第二栅极半导体图案是p型半导体，并且所述第二导电类型沟道层是n型半导体。
14.根据权利要求9的结型场效应薄膜晶体管，其中所述第一导电类型第二栅极半导体图案由从包括NiO、MgZnO、CuO、和SrCu2O2的组中所选择的材料形成。
15.根据权利要求9的结型场效应薄膜晶体管，其中所述第二栅极和第一导电类型第二栅极半导体图案相互欧姆接触。
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