CN102222698A - 一种以氧化物半导体为沟道层的混合结构薄膜晶体管 - Google Patents

Abstract

本发明属于薄膜晶体管技术领域，涉及一种以氧化物半导体为沟道层的混合结构薄膜晶体管结构。本发明以氧化物半导体薄膜为沟道层，以有机介质薄膜为栅介质层，以透明导电氧化物薄膜为栅电极、源电极和漏电极，构成混合型薄膜晶体管结构。本发明的薄膜晶体管以玻璃或柔性衬底为基底，采用真空镀膜技术制备宽禁带氧化物半导体沟道层，采用旋涂法或浸渍提拉法制备有机介质层，采用真空镀膜方法制备透明导电氧化物薄膜栅电极、源电极和漏电极。本发明制备的混合型薄膜晶体管具有制备温度低、载流子迁移率高、电流开关比高等特性，在平板显示和透明电子学等领域具有良好的应用潜能。

Description

一种以氧化物半导体为沟道层的混合结构薄膜晶体管

技术领域

本发明属于薄膜晶体管技术领域，具体涉及一种以氧化物半导体为沟道层的混合结构薄膜晶体管结构。

背景技术

薄膜晶体管(Thin Film Transistor：TFT)是一种场效应晶体管(Field Effect Transistor：FET)，由半导体有源层即沟道层、介质层即绝缘层、栅电极、源电极和漏电极构成。场效应晶体管凭借其体积小、重量轻、寿命长、耗电省等优点广泛应用于各类电子电路中。二十世纪六十年代，基于低成本、大阵列显示的实际需求，TFT的研究广为兴起。1988年，当第一个14英寸的有源矩阵(Active-Matrix：AM)薄膜晶体管液晶显示器(Thin FilmTransistor Liquid Crystal Displays：TFT-LCD)出现时，人们意识到重量轻厚度薄的壁挂式电视将成为现实。随着非晶硅或低温多晶硅作为半导体沟道层，薄膜晶体管技术已经成为平板显示(FPD)的象征性技术，其特点是在对角线数米(m)长的基板上制备几千万个数微米(μm)大小的TFT阵列，形成“大型微电子”。

薄膜晶体管的主要结构特点是在栅电极和半导体沟道层之间存在栅绝缘层。按照栅电极的位置不同可以分为顶栅和底栅两种结构，按照源漏电极与绝缘层和沟道层的接触方式又可分为共面接触和错面接触，所谓共面接触就是指源漏电极平面与绝缘层在沟道层的同一侧，而错面接触就是指源漏电极平面与绝缘层分别在沟道层两侧。下面以顶栅结构为例来进行说明。

TFT-LCD中最为广泛使用的是以非晶硅(amorphous silicon：a-Si)作为半导体沟道层的非晶硅(a-Si)TFT，而以多晶硅(Polysilicon)为半导体沟道层的低温多晶硅薄膜晶体管(LTPS TFT)迁移率比非晶硅薄膜晶体管高2-3个数量级。相对于a-Si TFT而言，LTPS-TFT具有高清晰度、高开口率、快响应速度、高亮度和低功率消耗等优点，因而有可能成为一种继a-Si TFT之后的主流应用技术。但是LTPS-TFT技术存在设备昂贵、工艺难度大、均匀性差等缺点，而且其工艺温度相对有机基板而言太高，不适合应用于柔性显示屏。图1a所示为a-Si TFT和LTPS TFT薄膜晶体管器件的一般示例性结构，通常都采用硅半导体沟道层和无机介质层，其中，最常用的两种无机介质层是用PECVD技术制备的氮化硅或氧化硅。PECVD的优点在于允许衬底保持在较低温度(约300℃)下大面积生长薄膜，且沉积均匀性高，阶梯覆盖性能以及工艺重复性好，技术成熟，是目前使用最为广泛的技术。氮化硅和氧化硅薄膜除具有优良的电学性能外，氮化硅薄膜还具有较大的介电常数。但PECVD方法设备投资大、成本高，对气体的纯度要求高，且不易在柔性衬底上使用。

图1b所示为有机TFT薄膜晶体管器件的一般示例性结构，其通常选用有机半导体沟道层和无机或有机介质层。有机TFT薄膜晶体管因具有制备温度低，成本低和良好的柔韧性等优点，而得到了大量的研究，但目前有机TFT的载流子迁移率低，目前报道的OTFT的迁移率较低(一般在1cm²/V·s)，仍停留在非晶硅TFT的水平，还不能满足于应用的需求，另外一个致命缺点就是OTFT的寿命低，存在严重的老化问题。

金属氧化物半导体薄膜晶体管(MOS TFT)是以金属氧化物半导体作为沟道层，并且以无机介质层作为栅绝缘层。图1c所示例的为透明氧化物半导体薄膜晶体管(TOS-TFT)器件的结构，其选用氧化物半导体沟道层和无机介质层，但是主要的问题也在于介质层的工艺温度相对于有机衬底而言太高，不适用于柔性显示屏。

最新的研究表明，氧化铟基和氧化锌基宽禁带氧化物半导体薄膜具有迁移率高、可见光透明性好、表面平整和可以室温大面积制备等优良性能。目前，可利用氧化物半导体制作透明氧化物薄膜晶体管，实现了比非晶硅薄膜晶体管性能高出1-2个数量级的结果。因此如果在AMLCD或AMOLED中采用低温透明氧化物半导体TFT作为像素开关，将大大提高有源矩阵的开口率，从而提高亮度，降低功耗和减小工艺复杂性。这预示着氧化物TFT在平板显示和透明电子学等领域具有良好的应用前景。

因此，本发明的目的即在于通过提供一种新的混合型薄膜晶体管结构，突破现有薄膜晶体管结构在工艺和技术性能上的局限性，进一步拓展氧化物半导体晶体管技术的应用领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的混合型结构的透明氧化物半导体薄膜晶体管，具有传统氧化物半导体薄膜晶体管的优点，同时结合通常用于有机薄膜晶体管中的有机介质层作为氧化物半导体薄膜晶体管的介质层，从而获得更好的工艺性能和更广泛的应用领域。

为了实现上述目的，本发明采用如下结构：一种透明氧化物半导体薄膜晶体管，包括：基板，分别形成于基板上方的栅、源和漏电极，用于隔离栅电极与源/漏电极的有机栅介质层，以及用于连接源电极和漏电极的非晶或多晶氧化物半导体沟道层。其中，所述半导体沟道层选自于In-Zn-O、In-Ga-Zn-O、In-Zn-Sn-O、Sn-Ga-Zn-O、Zn-Sn-O、In-Al-Sn-Zn-O、ZnO、以及Ti-O中任一种氧化物；所述栅介质层为选自于聚四乙烯苯酚(PVP)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、光致抗蚀剂如聚甲基异丙烯基酮、酸催化酚醛树脂、聚烯砜、环氧抗蚀剂以及有机硅聚合物薄膜等所组成的组中的任一种；并且所述栅电极、源电极和漏电极为选自于掺锡氧化铟(ITO)、掺铝氧化锌(AZO)、掺镓氧化锌(ZnO:Ga)、掺氟氧化锡(FTO)、掺锑氧化锡(SnO:Sb)、掺钨氧化铟(IWO)、掺钼氧化铟(IMO)等所组成的组中的任一种透明导电氧化物。

通过本发明的上述技术方案所取得的透明氧化物半导体晶体管具有电学性能良好、透过率高、易于低温和大面积制备的优点，可以玻璃或柔性衬底为基底，在平板显示器包括柔性显示屏的制造技术领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1a-1c为现有技术的各种半导体沟道层和介质层构成的顶栅结构的薄膜晶体管结构示意图，其中，图1a为硅半导体沟道层和无机介质层构成的TFT；图1b为有机半导体沟道层和无机或有机介质层构成的TFT；图1c为氧化物半导体沟道层和无机介质层构成的TFT；

图2为根据本发明提出的氧化物半导体沟道层和有机介质层构成的混合型薄膜晶体管；

图3为根据本发明的以非晶铟锌氧化物为沟道层，聚四乙烯苯酚(PVP)为介质层构成的薄膜晶体管的转移特性曲线；以及

图4为根据本发明的以非晶铟锌氧化物为沟道层，聚四乙烯苯酚(PVP)为介质层构成的薄膜晶体管的输出特性曲线。

具体实施方式

本发明提出混合型薄膜晶体管结构，如图2所示，包括基底1，覆盖于基底1之上的氧化物沟道层2，于该氧化物沟道层2形成源电极3和漏电极4，在源电极3和漏电极4之上覆盖有有机介质层5，栅电极6形成于有机介质层5的另一侧。

有机材料具有绝缘性能良好、成膜温度低、成本低、易制备等特点。通过提拉方法和旋涂法即成功制备了绝缘性能良好的有机介质层，并进而成功地用于薄膜晶体管的制备。提拉法和旋涂法具有溶液易于配制、可控性好、制备便捷和设备廉价等特点，是广为应用的薄膜制备方法。氧化物半导体沟道层薄膜和透明导电氧化物薄膜电极采用磁控溅射方法制备。

实验证明基于宽禁带氧化物半导体沟道层、有机介质层和透明导电氧化物薄膜电极的氧化物薄膜晶体管具有良好的场效应晶体管器件性能。可用于该种混合型薄膜晶体管的氧化物沟道层材料包括In-Zn-O，In-Ga-Zn-O，In-Zn-Sn-O，Sn-Ga-Zn-O，Zn-Sn-O，In-Al-Sn-Zn-O，ZnO和Ti-O等薄膜；有机介质层材料包括聚四乙烯苯酚(PVP)，聚酰亚胺(PI)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，光致抗蚀剂如聚甲基异丙烯基酮，酸催化酚醛树脂，聚烯砜，环氧抗蚀剂和有机硅聚合物等；透明导电氧化物薄膜包括掺锡氧化铟(ITO)，掺铝氧化锌(AZO)，掺镓氧化锌(ZnO:Ga)，掺氟氧化锡(FTO)，掺锑氧化锡(SnO:Sb)，掺钨氧化铟(IWO)，掺钼氧化铟(IMO)等。

非晶铟锌氧化物半导体薄膜，是利用现有技术的反应磁控溅射方法。根据本发明的一种具体实施方案，是以普通玻璃为基板，在基板温度为0-50℃的条件下，通过磁控溅射法，使Ar离子溅射靶材。在制备过程中，O₂反应气体的分压为1.0-10×10^-2Pa，反应室内的工作压强为1.0-5.0×10^-1Pa，在溅射电流50-200mA、溅射电压300-500V、溅射时间1-30分钟的条件下形成具有非晶结构的铟锌氧化物半导体薄膜。制得的透明氧化物半导体薄膜厚度为20-150nm。可根据需要，通过控制溅射时间、氧分压和溅射功率等来控制膜厚和电阻率。而后通过热蒸发的方法制备源漏电极，接着用聚乙烯吡咯烷酮的无水乙醇或四氢氟呋喃有机溶液通过提拉方法或旋涂法制备介质层薄膜。最后通过热蒸发的方法制备栅电极。

根据本发明的较佳实施例，更好的制备条件如下：基板温度为10-30℃，通过可变气导阀将O₂和Ar气体通入反应室，O₂反应气体的分压为4.5-8.0×10^-2Pa，反应室内的工作压强为3.0×10^-1Pa，反应直流磁控溅射镀膜时，溅射条件为：溅射电流80-120mA，溅射电压300-400V，溅射时间5-15分钟。通过掩膜用热蒸发的方法制备50-120nm的源漏电极，热蒸发电流为40-60A，热蒸发电压为70-90V。

接下来，可以将样品浸入30mg/mL的PVP无水乙醇溶液提拉2-5次，每次提拉后烘烤5-10分钟(min)使提拉的PVP层固化，最后一次在180-200℃炉中烘烤30-90分钟，提高有机膜的致密性。最后通过掩膜制备栅电极。下面举例说明：

具体实施例：

选用铟锌合金靶(In∶Zn＝0.586∶1原子比)，a-IZO薄膜沉积前先将反应室真空抽到低于2×10-3Pa，然后通过可变气导阀将O₂和Ar气体依次通入反应室，并控制反应室内的氧分压为5.0×10^-2Pa，工作压强为3.0×10^-1Pa。将溅射电流和溅射电压分别调制为120mA和300V，溅射时间10分钟，在普通玻璃片上形成薄膜。薄膜厚度约为110nm，电阻率大于1×10⁴Ω·cm，可见光平均透射率大于82％。

用宽长比为500μm/100μm和400μm/40μm氧化铝掩膜通过反应磁控溅射的方法制备80nm的铝膜作为源漏电极，溅射电流为100mA，溅射电压为350V。

将20mg/ml聚四乙烯苯酚四氢呋喃溶液在800rpm转速下旋转涂布制备有机介质层，而后100℃烘烤15分钟。

由此构成的非晶铟锌氧化物沟道层聚四乙烯苯酚(PVP)介质层的TFT器件的迁移率为57cm2V-1s-1，开关比为～106，阈值电压1.64V。参见图3所示，为以非晶铟锌氧化物为沟道层，聚四乙烯苯酚(PVP)为介质层构成的薄膜晶体管的转移特性曲线；图4所示，为这种氧化物半导体有机介质薄膜晶体管的输出特性曲线。

本氧化物半导体沟道层和有机介质层构成的混合结构型薄膜晶体管器件制备温度低、方法简便、适合大规模生产，在平板显示、透明电子器件和柔性显示等领域具有潜在的应用前景。

Claims (4)

1.一种薄膜晶体管，包括基板，分别形成于基板上方的栅、源和漏电极，用于隔离栅电极与源/漏电极的栅介质层，以及用于连接源电极和漏电极的氧化物半导体沟道层；其特征在于

所述栅介质层为有机介质层；

所述氧化物半导体沟道层为非晶或多晶宽禁带氧化物半导体层；

所述栅电极、源电极和漏电极由透明导电氧化物构成。

2.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于所述半导体沟道层选自于In-Zn-O、In-Ga-Zn-O、In-Zn-Sn-O、Sn-Ga-Zn-O、Zn-Sn-O、In-Al-Sn-Zn-O、ZnO、以及Ti-O中任一种氧化物。

3.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于所述栅介质层为选自于聚四乙烯苯酚(PVP)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、光致抗蚀剂如聚甲基异丙烯基酮、酸催化酚醛树脂、聚烯砜、环氧抗蚀剂以及有机硅聚合物薄膜等所组成的组中的任一种。

4.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于所述栅电极、源电极和漏电极为选自于掺锡氧化铟(ITO)、掺铝氧化锌(AZO)、掺镓氧化锌(ZnO:Ga)、掺氟氧化锡(FTO)、掺锑氧化锡(SnO:Sb)、掺钨氧化铟(IWO)、掺钼氧化铟(IMO)等所组成的组中的任一种透明导电氧化。

Images