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。
提供了一种硼化镧掺杂的氧化物半导体材料,这种材料在氧化锌(ZnO)基材料中掺入硼化镧(LaB6)。
LaB6材料具有优良的电子发射性能和稳定的化学性能,所以LaB6掺杂后的氧化物半导体材料的电子迁移率可以得到提高;同时因为La具有很弱的电负性(约为1.1,小于In的1.7和Zn的1.6),所以La对氧化锌基材料中的氧(O)的吸引力很强,可以减少氧空位,增加稳定性。但是LaB6的带宽只有2.4,如果LaB6的掺杂量太多,会影响透光性。
所述的氧化锌基材料的化学式为:(MO)x(In2O3)y(ZnO)1-x-y,其中MO为Ga2O3、Al2O3或者Ta2O5中的一种,0≤x≤0.2,0≤y≤0.8。x的更优选的范围是0.01≤x≤0.1;y的更优选的范围是0.3≤y≤0.6。
LaB6的比例越高,材料的迁移率越高,但是当比例大于0.2时,材料呈现弱导体特征。
因此LaB6与所述氧化锌基材料的质量比大于0,并且小于或等于0.1,更优选的范围是大于或等于0.005、小于或等于0.1。
所述的硼化镧掺杂的氧化物半导体材料可以作为薄膜晶体管(TFT)的沟道层,这种TFT可以用以驱动LCD或OLED。
图1显示了根据实施方式中所述的硼化镧掺杂的氧化物半导体材料作为沟道层的TFT的结构,其包括:基板10,栅极11位于基板10之上,沟道层13,绝缘层12介于沟道层13和栅极11之间,源极14a和漏极14b分别位于沟道层13的两端。
基板10可以为玻璃、塑料、硅片等,栅极11位于基板10之上,绝缘层12覆盖在栅极11上端;沟道层13制备在绝缘层12之上,并位于栅极11正上方;源极14a和漏极14b分别覆盖在沟道层13的两端并且相互间隔,源极14a和漏极14b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),如图2所示。
沟道层13的制备方法可以为共溅射的方法,也可以为直接溅射的方法,厚度为20~100nm之间,通过掩模或光刻的方法图形化。
共溅射的方法为将LaB6、MO、In2O3以及ZnO四种材料分别制备成四个靶材安装在四个不同靶位上同时溅射,通过调节不同靶位的溅射功率来控制比例不同材料的比例;也可以将MO、In2O3以及ZnO三种材料任意符合上述比例的组合制备成靶材,然后将其与LaB6靶材安装在不同靶位上同时溅射,通过调节不同靶位的溅射功率来控制比例不同材料的比例。
直接溅射的方法为将LaB6、MO、In2O3以及ZnO四种材料按照比例制备在同一个靶材上进行溅射。
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;可用溅射,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图形化。
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图形化。
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;可用溅射,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图形化。
实施例1
所用的氧化锌基材料的化学式为:(Al2O3)0.01(In2O3)0.33(ZnO)0.66,即x=0.01,y=0.33;所用的LaB6与(Al2O3)0.01(In2O3)0.33(ZnO)0.66的质量比为0.005。
上述比例的LaB6、Al2O3、In2O3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。
本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层,制备了薄膜晶体管(其结构示意图如图1所示)。其中,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,溅射的本底真空度为10-3Pa,溅射压强为0.3 Pa,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。所测得的器件的迁移率为11.2 cm2V-1s-1,如表一所示。
实施例2
所用的氧化锌基材料与实施例1相同:(Al2O3)0.01(In2O3)0.33(ZnO)0.66;所用的LaB6与(Al2O3)0.01(In2O3)0.33(ZnO)0.66的质量比为0.01。
上述比例的LaB6、Al2O3、In2O3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。
本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层,制备了薄膜晶体管,制备方法与实施例1相同。所测得的器件的迁移率为11.5 cm2V-1s-1,如表一所示。
实施例3
所用的氧化锌基材料与实施例1相同:(Al2O3)0.01(In2O3)0.33(ZnO)0.66;所用的LaB6与(Al2O3)0.01(In2O3)0.33(ZnO)0.66的质量比为0.05。
上述比例的LaB6、Al2O3、In2O3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。
本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层,制备了薄膜晶体管,制备方法与实施例1相同。所测得的器件的迁移率为12.3 cm2V-1s-1,如表一所示。
实施例4
所用的氧化锌基材料与实施例1相同:(Al2O3)0.01(In2O3)0.33(ZnO)0.66;所用的LaB6与(Al2O3)0.01(In2O3)0.33(ZnO)0.66的质量比为0.1。
上述比例的LaB6、Al2O3、In2O3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。
本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层,制备了薄膜晶体管,制备方法与实施例1相同。所测得的器件的迁移率为14.2 cm2V-1s-1,如表一所示。
实施例1~4中的迁移率与硼化镧的掺杂量的关系如图3所示,从图可以看出氧化物半导体的迁移率随着硼化镧的掺杂量的增加而增大,同时关态电流的变化却很少,如表一。
表一
|
MO |
x |
y |
LaB |
迁移率(cm2V-1s-1) |
关态电流(A) |
实施例1 |
Al2O3 |
0.01 |
0.33 |
0.005 |
11.2 |
~10-12 |
实施例2 |
Al 2O3 |
0.01 |
0.33 |
0.01 |
11.5 |
~10-12 |
实施例3 |
Al 2O3 |
0.01 |
0.33 |
0.05 |
12.3 |
~10-11 |
实施例4 |
Al 2O3 |
0.01 |
0.33 |
0.1 |
14.2 |
~10-11 |
实施例5
所用的氧化锌基材料的化学式为:(In2O3)0.33(ZnO)0.67,即x=0,y=0.33;所用的LaB6与(In2O3)0.33(ZnO)0.67的质量比为0.005。
上述比例的LaB6、In2O3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。
本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层,制备了薄膜晶体管,制备方法与实施例1相同。所测得的器件的迁移率为15.3 cm2V-1s-1,如表二所示。
实施例6
所用的氧化锌基材料的与实施例5相同:(Ga2O3)0.01(In2O3)0.33(ZnO)0.66,即x=0.01,y=0.33;所用的LaB6与(Ga2O3)0.01(In2O3)0.33(ZnO)0.66的质量比为0.005。
上述比例的LaB6、Ga2O3、In2O3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。
本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层,制备了薄膜晶体管,制备方法与实施例1相同。所测得的器件的迁移率为12.0 cm2V-1s-1,如表二所示。
实施例7
所用的氧化锌基材料的化学式为:(Ga2O3)0.1(In2O3)0.3(ZnO)0.6,即x=0.1,y=0.3;所用的LaB6与(Ga2O3)0.1(In2O3)0.3(ZnO)0.6的质量比为0.005。
上述比例的LaB6、Ga2O3、In2O3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。
本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层,制备了薄膜晶体管,制备方法与实施例1相同。所测得的器件的迁移率为6.9 cm2V-1s-1,如表二所示。
实施例8
所用的氧化锌基材料的化学式为:(Ga2O3)0.2(In2O3)0.27(ZnO)0.53,即x=0.2,y=0.27;所用的LaB6与(Ga2O3)0.2(In2O3)0.27(ZnO)0.53的质量比为0.005。
上述比例的LaB6、Ga2O3、In2O3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。
本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层,制备了薄膜晶体管,制备方法与实施例1相同。所测得的器件的迁移率为4.2 cm2V-1s-1,如表二所示。
实施例5~8中的迁移率与氧化镓的含量的关系如图4所示。从图4和表二可以很明显的看出,Ga2O3掺杂后,TFT的关态电流可以得到降低,但是其迁移率也随着Ga2O3的含量的增多而急剧下降。
表二
|
MO |
x |
y |
LaB |
迁移率(cm2V-1s-1) |
关态电流(A) |
实施例5 |
- |
0 |
0.33 |
0.005 |
15.3 |
~10-10 |
实施例6 |
Ga2O3 |
0.01 |
0.33 |
0.005 |
12.0 |
~10-12 |
实施例7 |
Ga2O3 |
0.1 |
0.3 |
0.005 |
6.9 |
~10-13 |
实施例8 |
Ga2O3 |
0.2 |
0.27 |
0.005 |
4.2 |
~10-13 |
实施例9
所用的氧化锌基材料为氧化锌(ZnO),即x=0,y=0;所用的LaB6与ZnO的质量比为0.005。
上述比例的LaB6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。
本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层,制备了薄膜晶体管,制备方法与实施例1相同。所测得的器件的迁移率为0.1 cm2V-1s-1,如表三所示。
实施例10
所用的氧化锌基材料的化学式为:(Ta2O5)0.05(In2O3)0.3(ZnO)0.65,即x=0.05,y=0.3;所用的LaB6与(Ta2O5)0.05(In2O3)0.3(ZnO)0.65的质量比为0.005。
上述比例的LaB6、Ta2O5、In2O3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。
本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层,制备了薄膜晶体管,制备方法与实施例1相同。所测得的器件的迁移率为8.2 cm2V-1s-1,如表三所示。
实施例11
所用的氧化锌基材料与实施例9相同:(Ta2O5)0.05(In2O3)0.5(ZnO)0.45,即x=0.05,y=0.5;所用的LaB6与(Ta2O5)0.05(In2O3)0.5(ZnO)0.45的质量比为0.005。
上述比例的LaB6、Ta2O5、In2O3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。
本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层,制备了薄膜晶体管,制备方法与实施例1相同。所测得的器件的迁移率为12.7 cm2V-1s-1,如表三所示。
实施例12
所用的氧化锌基材料与实施例9相同:(Ta2O5)0.05(In2O3)0.8(ZnO)0.15,即x=0.05,y=0.8;所用的LaB6与(Ta2O5)0.05(In2O3)0.8(ZnO)0.15的质量比为0.005。
上述比例的LaB6、Ta2O5、In2O3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。
本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层,制备了薄膜晶体管,制备方法与实施例1相同。所测得的器件的迁移率为20.8 cm2V-1s-1,如表三所示。
实施例9~13中的迁移率与氧化铟的含量的关系如图5所示,从图中可以看出氧化物半导体的迁移率随着In2O3 的含量的增加而增大,但同时关态电流的也大幅增加,如表一。
表三
|
MO |
x |
y |
LaB |
迁移率(cm2V-1s-1) |
关态电流(A) |
实施例9 |
- |
0 |
0 |
0.005 |
0.1 |
~10-12 |
实施例10 |
Ta2O5 |
0.05 |
0.33 |
0.005 |
8.2 |
~10-12 |
实施例11 |
Ta2O5 |
0.05 |
0.5 |
0.005 |
12.7 |
~10-8 |
实施例12 |
Ta2O5 |
0.05 |
0.8 |
0.005 |
20.8 |
~10-5 |
综上实施例1~12可以看出,氧化物中的In比例越大,迁移率越高,但是关态电流也越大。通过掺入Ga、Al或Ta等以降低关态电流,但是掺入这些元素又会使电子迁移率大大降低。进一步掺入硼化镧可以再次提高电子迁移率,并且不会明显影响降低关态电流。