CN102296270A - 掺杂氧化锌半导体材料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了掺杂氧化锌半导体材料及其制备方法与应用。掺杂氧化锌半导体材料是在ZnO材料中同时掺入In、Sn以及Ni；其成份为Ni_aSn_bIn_cZn_dO，其中，0.01≤a≤0.09、0.01≤b≤0.09、c＝0.3、d＝0.6且a+b+c+d＝1。应用掺杂氧化锌半导体材料制备的薄膜晶体管包括玻璃基板、栅极、绝缘层、沟道层、源极和漏极；栅极位于玻璃基板中心上部，绝缘层覆盖在栅极上端，沟道层设置在绝缘层中部上端，位于栅极正上方，沟道层左右两端伸出栅极；源极和漏极分别覆盖在沟道层的两端并且相互间隔；沟道层材料为掺杂氧化锌半导体材料。该薄膜晶体管具有载流子迁移率高、稳定性好以及开关比高等优点。

Description

掺杂氧化锌半导体材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种氧化锌半导体材料，特别是涉及一种掺杂氧化锌半导体材料与制备方法，以及应用该该材料制备的薄膜晶体管，该掺杂氧化锌半导体材料作为薄膜晶体管的有源沟道层可以应用在有机发光显示(OLED)、液晶显示(LCD)、电子纸显示等领域，也可以用于集成电路领域。

背景技术

近年来，在平板显示尤其是在有机电致发光显示(OLED)领域，基于氧化物半导体的薄膜晶体管越来越受到重视。目前用在平板显示的薄膜晶体管的半导体沟道层的材料主要是硅材料，包括非晶硅(a-Si:H)、多晶硅、微晶硅等。然而非晶硅薄膜晶体管具有对光敏感、迁移率低(＜1cm²/Vs)和稳定性差等缺点；多晶硅薄膜晶体管虽然具有较高的迁移率，但是由于晶界的影响导致其电学均匀性差，且多晶硅制备温度高和成本高，限制了其在平板显示中的应用；微晶硅制备难度大，晶粒控制技术难度高，不容易实现大面积规模量产。基于氧化物半导体的薄膜晶体管具有载流子迁移率较高(1～100cm²/Vs)、制备温度低(＜400℃，远低于玻璃的熔点)、对可见光透明等优点，在平板显示的TFT基板领域，有替代用传统硅工艺制备的薄膜晶体管的发展趋势。

氧化物半导体材料主要包括氧化锌(ZnO)、氧化铟锌(IZO)、氧化锌锡(ZTO)、氧化铟镓锌(IGZO)等。其中，ZnO的迁移率较低，如果制备成迁移率较高的多晶的ZnO薄膜，则需要较高的温度，但多晶的ZnO薄膜的均匀性和稳定性较差；IGZO是报道的综合性能较好的氧化物半导体材料，但其稳定性依然不足；ZTO的成本最低，但其迁移率也相对较低，并且其热处理温度较高；IZO的迁移率较高，热处理温度也比较低，但基于IZO的薄膜晶体管的阈值电压为负值，较难关断且稳定性也不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以控制本征载流子的数量，降低关态电流，提高开关比的掺杂氧化锌半导体材料及其制备方法。

本发明的另一目的是针对现有的基于氧化物半导体材料的薄膜晶体管的稳定性较差、开启电压为负数等问题，应用上述材料制备迁移率较高、稳定性较好、开关比较高、成本较低的氧化物半导体薄膜晶体管。

本发明通过引入新的ZnO的掺杂物，可以控制本征载流子的数量，降低关态电流，提高开关比；同时也改善氧化物半导体薄膜与绝缘层之间的接触，减少阈值电压漂移，达到提高薄膜晶体管的电学稳定性的目的。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种掺杂氧化锌半导体材料，在氧化锌(ZnO)材料中同时掺入铟(In)、锡(Sn)以及镍(Ni)；其成份为Ni_aSn_bIn_cZn_dO，其中，0.01≤a≤0.09、0.01≤b≤0.09、c＝0.3、d＝0.6且a+b+c+d＝1。

所述掺杂氧化锌半导体材料的制备方法：将摩尔比为a∶b∶c∶d的NiO、SnO、InO和ZnO粉末研磨并混合均匀，再经过成型、烧结、机械加工、打磨等工艺制成掺杂氧化锌半导体材料的陶瓷靶材，所述烧结的温度为1100-1200摄氏度；其中，0.01≤a≤0.09、0.01≤b≤0.09、c＝0.3、d＝0.6且a+b+c+d＝1。

应用所述掺杂氧化锌半导体材料制备的薄膜晶体管：包括玻璃基板、栅极、绝缘层、沟道层、源极和漏极；玻璃基板为方形板，栅极位于玻璃基板中心上部，绝缘层覆盖在栅极上端，并且在栅极左右端和后端沿玻璃基板延伸，栅极前端在玻璃基板上端伸出绝缘层，以供引入电信号之用；沟道层设置在绝缘层中部上端，位于栅极正上方，沟道层左右两端伸出栅极；源极和漏极分别覆盖在沟道层的两端并且相互间隔；所述的沟道层材料的成份为：Ni_aSn_bIn_cZn_dO，其中，0.01≤a≤0.09、0.01≤b≤0.09、c＝0.3、d＝0.6且a+b+c+d＝1，

所述的沟道层的制备方法为：将沟道层材料Ni_aSn_bIn_cZn_dO作为陶瓷靶材安装在溅射仪上，通过溅射的方法制备成薄膜形成沟道层，溅射本底真空度为1×10^-3Pa，氩气流量50sccm，氧气流量2sccm，气压为0.5Pa，功率为110W；沟道层厚度为20～100nm，通过掩模或光刻的方法成形。

本发明掺杂氧化锌半导体材料为在ZnO中同时掺入In、Sn以及Ni；此掺杂氧化锌半导体材料可以用公式Ni_aSn_bIn_cZn_dO表示，其中，0.01≤a≤0.09、0.01≤b≤0.09、c＝0.3、d＝0.6且a+b+c+d＝1。掺入In可提高电子迁移率；掺入Sn可增加稳定性；掺入Ni可抑制过剩的本征载流子，降低关态电流，提高开关比，而且上述掺杂在分别提高对氧化锌半导体材料相关性能的同时，并不构成相互影响。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)本发明在氧化锌(ZnO)中同时掺入铟(In)、锡(Sn)以及镍(Ni)；该材料掺入In后提高了电子迁移率；掺入Sn后增加了材料的稳定性；掺入Ni后可抑制过剩的本征载流子，降低关态电流，提高开关比，且上述上述三种材料相互配合作用，使得制备的氧化锌半导体材料可以控制本征载流子的数量，降低关态电流，提高开关比，且电子迁移率高、稳定性好。

(2)应用本发明氧化锌半导体材料制备的薄膜晶体管具有电子迁移率较高，稳定性较好，开关比较高等特点。

(3)本发明氧化锌半导体材料制备方法简单，温度低，成本低。

附图说明

图1A是利用本发明所述的掺杂氧化锌半导体材料作为沟道层的薄膜晶体管的截面示意图；

图1B是利用本发明所述的掺杂氧化锌半导体材料作为沟道层的薄膜晶体管的俯视图。

图2是实施例1中的薄膜晶体管的转移特性曲线。

图3是实施例2中的薄膜晶体管的转移特性曲线。

图4是实施例3中的薄膜晶体管的转移特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明做进一步的描述，但需要说明的是，实施例并不构成对本发明要求保护的范围的限定。

本发明的掺杂氧化锌半导体材料为：在ZnO中同时掺入In、Sn以及Ni；此掺杂氧化锌半导体材料可以用公式Ni_aSn_bIn_cZn_dO表示，其中，0.01≤a≤0.09、0.01≤b≤0.09、c＝0.3、d＝0.6且a+b+c+d＝1。

这种材料的制备方法为：将摩尔比为a∶b∶c∶d的NiO、SnO、InO和ZnO粉末研磨并混合均匀，再经过成型、烧结、机械加工、打磨等工艺制成陶瓷靶材，粉末混合的均匀性应大于99.9％，烧结温度为1100-1200摄氏度，优选1150摄氏度。

如图1A和图1B所述，本发明的薄膜晶体管包括玻璃基板10、栅极11、绝缘层12、沟道层13、源极114a和漏极114b；玻璃基板10为方形板，栅极11位于玻璃基板10中心上部，绝缘层12覆盖在栅极11上端，并且在栅极11左右端和后端沿玻璃基板10延伸，栅极11前端在和玻璃基板10上端伸出绝缘层12，可在绝缘层12上前端通过刻蚀露出一部分栅极11，以供引入电信号之用；沟道层13设置在绝缘层12中部上端，位于栅极11正上方，沟道层13左右两端伸出栅极11；源极114a和漏极114b分别覆盖在沟道层13的两端并且相互间隔，栅极11上端源极114a和漏极114b的间隔左右两端的距离即为沟道长度L，源漏电极的前后端的长度即为沟道宽度W。

所述的沟道层13的材料的成份为：Ni_aSn_bIn_cZn_dO，其中，0.01≤a≤0.09、0.01≤b≤0.09、c＝0.3、d＝0.6且a+b+c+d＝1；所述的沟道层13的制备方法为：将上述制备的Ni_aSn_bIn_cZn_dO陶瓷靶材安装在溅射仪上，通过溅射的方法制备成薄膜形成沟道层，溅射本底真空度为1×10^-3Pa，氩气流量50sccm，氧气流量2sccm，气压为0.5Pa，功率为11110W；厚度为20～100nm，通过掩模或光刻的方法成形。

所述的栅极11的材料可以是Al、Mo、Cr、Cu、Ni、Ta、Au、Ag、Pt、Ti、ITO等导电材料；可用磁控溅射(溅射本底真空度为1×10^-3Pa，氩气流量50sccm，气压为0.5Pa，功率为200W)，真空热蒸发或电子束蒸发等技术制备；厚度为100～500nm，通过掩模或光刻的方法成形。

所述的绝缘层12的材料可以是金属氧化物，如氧化铝或氧化钽等，也可以是二氧化硅、氮化硅或高分子绝缘材料等；可用电化学氧化、溅射、化学气相沉积(PECVD)、印刷或旋涂的方法制备；厚度为100～1000nm，通过掩模或光刻的方法成形。

所述的源极14a和漏极14b的材料可以是Al、Mo、Cr、Cu、Ni、Ta、Au、Ag、Pt、Ti、ITO等导电材料；可用磁控溅射(溅射本底真空度为1×10^-3Pa，氩气流量50sccm，气压为0.5Pa，功率为200W)，真空热蒸发或电子束蒸发等技术制备；厚度为100～500nm，通过掩模或光刻的方法成形。

实施例1

(1)靶材制备

将摩尔比为1％∶9％∶30％∶60％的NiO、SnO、InO和ZnO粉末混合均匀，再经过成型、烧结、机械加工、打磨等工艺制成陶瓷靶材。

(2)薄膜晶体管的制备

本实施例利用上述制备的Ni_0.01Sn_0.09In_0.3Zn_0.6O材料作为沟道层，制备了薄膜晶体管(其结构示意图如图1所示)。其中，玻璃基板10的材料为无碱玻璃，厚度为0.4mm；栅极11的材料为Al，通过溅射的方法制备，厚度为300nm；绝缘层12为通过电化学氧化的Al₂O₃，厚度为140nm；沟道层13通过溅射的方法制备，溅射所用的靶材为上述制备的Ni_0.01Sn_0.09In_0.3Zn_0.6O靶材，溅射的本底真空度为10^-3Pa，溅射压强为0.3Pa，功率为110W，所制备的膜的厚度为30nm；源极14a和漏极14b的材料为ITO，通过溅射的方法制备，厚度为250nm，沟道的宽度和长度分别为100μm和10μm，宽长比为10∶1。

所制备的晶体管器件性能在空气中测试。图2是实施例1的薄膜晶体管测得的转移特性曲线，即漏极电流与栅极电压之间的关系。曲线的测试条件为：源极电压(V_S)为0V，漏极电压(V_D)恒定为5V，栅极电压(V_G)从-10V到10V再从10V到-10V来回扫描，测试漏极电流(I_D)。计算得到薄膜晶体管的载流子迁移率为10.1cm²V^-1s^-1，但器件的关态电流(I_off)较大(3×10^-10A)，开关比(I_on/off)为10⁶。从图2中可以看出正向和反向扫描的曲线的磁滞回线较小，这说明器件的稳定性较IZO或IGZO的好。

实施例2

(1)靶材制备

将摩尔比为9％∶1％∶30％∶60％的NiO、SnO、InO和ZnO粉末混合均匀，再经过成型、烧结、机械加工、打磨等工艺制成陶瓷靶材。

(2)薄膜晶体管的制备

本实施例利用上述制备的Ni_0.09Sn_0.01In_0.3Zn_0.6O材料作为沟道层，制备了薄膜晶体管(其结构示意图如图1所示)。其中，玻璃基板10的材料为无碱玻璃，厚度为0.4mm；栅极11的材料为Al，通过溅射的方法制备，厚度为300nm；绝缘层12为通过电化学氧化的Al₂O₃，厚度为140nm；沟道层13通过溅射的方法制备，溅射所用的靶材为上述制备的Ni_0.09Sn_0.01In_0.3Zn_0.6O靶材，溅射的本底真空度为10^-3Pa，溅射压强为0.3Pa，功率为110W，所制备的膜的厚度为30nm；源极14a和漏极14b的材料为ITO，通过溅射的方法制备，厚度为250nm，沟道的宽度和长度分别为100μm和10μm，宽长比为10∶1。

所制备的晶体管器件性能在空气中测试。图3是实施例2的薄膜晶体管测得的转移特性曲线，即漏极电流与栅极电压之间的关系。曲线的测试条件为：源极电压(V_S)为0V，漏极电压(V_D)恒定为5V，栅极电压(V_G)从-10V到10V再从10V到-10V来回扫描，测试漏极电流(I_D)。计算得到薄膜晶体管的载流子迁移率为6.1cm²V^-1s^-1，器件的关态电流(I_off)只有(3×10^-12A)，开关比(I_on/off)高达3×10⁷。

实施例3

(1)靶材制备

将摩尔比为5％∶5％∶30％∶60％的NiO、SnO、InO和ZnO粉末混合均匀，再经过成型、烧结、机械加工、打磨等工艺制成陶瓷靶材。

(2)薄膜晶体管的制备

本实施例利用上述制备的Ni_0.05Sn_0.05In_0.3Zn_0.6O材料作为沟道层，制备了薄膜晶体管(其结构示意图如图1所示)。其中，玻璃基板10的材料为无碱玻璃，厚度为0.4mm；栅极11的材料为Al，通过溅射的方法制备，厚度为300nm；绝缘层12为通过电化学氧化的Al₂O₃，厚度为140nm；沟道层13通过溅射的方法制备，溅射所用的靶材为上述制备的Ni_0.05Sn_0.05In_0.3Zn_0.6O靶材，溅射的本底真空度为10^-3Pa，溅射压强为0.3Pa，功率为110W，所制备的膜的厚度为30nm；源极14a和漏极14b的材料为ITO，通过溅射的方法制备，厚度为250nm，沟道的宽度和长度分别为100μm和10μm，宽长比为10∶1。

所制备的晶体管器件性能在空气中测试。图4是实施例3的薄膜晶体管测得的转移特性曲线，即漏极电流与栅极电压之间的关系。曲线的测试条件为：源极电压(V_S)为0V，漏极电压(V_D)恒定为5V，栅极电压(V_G)从-10V到10V再从10V到-10V来回扫描，测试漏极电流(I_D)。计算得到薄膜晶体管的载流子迁移率为7.2cm²V^-1s^-1，器件的关态电流(I_off)只有(3×10^-12A)，开关比(I_on/off)高达3×10⁷。从图2中可以看出正向和反向扫描的曲线的磁滞回线较小，这说明器件的稳定性较IZO或IGZO的好。

综上所述，掺入In后的电子迁移率均比纯ZnO高；掺入Sn后稳定性增强；掺入Ni的目的是抑制过剩的本征载流子，降低关态电流，提高开关比。

Claims (7)

1.一种掺杂氧化锌半导体材料，其特征在于：在ZnO材料中同时掺入In、Sn以及Ni；其成份为Ni_aSn_bIn_cZn_dO，其中，0.01≤a≤0.09、0.01≤b≤0.09、c＝0.3、d＝0.6且a+b+c+d＝1。

2.权利要求1所述掺杂氧化锌半导体材料的制备方法，其特征在于：将摩尔比为a∶b∶c∶d的NiO、SnO、InO和ZnO粉末研磨并混合均匀，再经过成型、烧结、机械加工、打磨工艺制成掺杂氧化锌半导体材料的陶瓷靶材，所述烧结的温度为1100-1200摄氏度；其中，0.01≤a≤0.09、0.01≤b≤0.09、c＝0.3、d＝0.6且a+b+c+d＝1。

3.应用权利要求1所述掺杂氧化锌半导体材料制备的薄膜晶体管，其特征在于：薄膜晶体管包括玻璃基板、栅极、绝缘层、沟道层、源极和漏极；玻璃基板为方形板，栅极位于玻璃基板中心上部，绝缘层覆盖在栅极上端，并且在栅极左右端和后端沿玻璃基板延伸，栅极前端在玻璃基板上端伸出绝缘层，以供引入电信号之用；沟道层设置在绝缘层中部上端，位于栅极正上方，沟道层左右两端伸出栅极；源极和漏极分别覆盖在沟道层的两端并且相互间隔；所述的沟道层材料的成份为：Ni_aSn_bIn_cZn_dO，其中，0.01≤a≤0.09、0.01≤b≤0.09、c＝0.3、d＝0.6且a+b+c+d＝1。

4.根据权利要求3所述的薄膜晶体管，其特征在于：所述的沟道层的制备方法为：将沟道层材料Ni_aSn_bIn_cZn_dO作为陶瓷靶材安装在溅射仪上，通过溅射的方法制备成薄膜形成沟道层，通过掩模或光刻的方法成形。

5.根据权利要求3所述的薄膜晶体管，其特征在于：所述栅极的材料为导电材料Al、Mo、Cr、Cu、Ni、Ta、AU、Ag、Pt、Ti或ITO；用磁控溅射真空热蒸发或电子束蒸发制备，通过掩模或光刻的方法成形。

6.根据权利要求3所述的薄膜晶体管，其特征在于：所述的绝缘层材料为氧化铝、氧化钽等、二氧化硅或氮化硅；绝缘层用电化学氧化、溅射、化学气相沉积、印刷或旋涂的方法制备；通过掩模或光刻的方法成形。

7.根据权利要求3所述的薄膜晶体管，其特征在于：所述的源极和漏极材料为导电材料Al、Mo、Cr、Cu、Ni、Ta、Au、Ag、Pt、Ti或ITO；源极和漏极用磁控溅射，真空热蒸发或电子束蒸发等技术制备，通过掩模或光刻的方法成形。

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