CN103779427B

CN103779427B - 一种氧化物薄膜晶体管及其制备方法

Info

Publication number: CN103779427B
Application number: CN201410066332.XA
Authority: CN
Inventors: 兰林锋; 彭俊彪; 王磊; 肖鹏
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: Guangzhou South China University of Technology Asset Management Co.,Ltd.
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2034-02-26
Also published as: CN103779427A

Abstract

本发明公开了一种氧化物薄膜晶体管及其制备方法，设置有栅极、氧化物半导体层、位于栅极和氧化物半导体层之间的绝缘层、分别电性连接于氧化物半导体层两端的源极和漏极、覆设于源极、漏极及氧化物半导体层的裸露面的保护层，保护层的材料为含吸电子基团的有机绝缘材料。制备方法是采用旋涂、打印、印刷、滴涂或浸泡方法将含吸电子基团的有机绝缘材料制备作为保护层覆设于源极、漏极及氧化物半导体层的裸露面。本发明通过含吸电子基团的有机物保护层与氧化物半导体层接触来降低氧化物半导体层表面的本征电子浓度，同时形成内建电场，实现往正向调控阈值电压，同时制备简单，便于产业化。

Description

一种氧化物薄膜晶体管及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种具有特定阈值电压的氧化物薄膜晶体管及其制备方法。该氧化物薄膜晶体管主要用于有机发光显示、液晶显示、电子纸的有源驱动，也可以用于传感器或集成电路。

背景技术

薄膜晶体管（TFT，ThinFilmTransistor）主要应用于控制和驱动液晶显示器（LCD，LiquidCrystalDisplay）、有机发光二极管（OLED，OrganicLight-EmittingDiode）显示器的子像素，是平板显示领域中最重要的电子器件之一。

在平板显示方面，目前主要使用氢化非晶硅（a-Si:H）或多晶硅等材料的薄膜晶体管，然而氢化非晶硅材料的局限性主要表现在对光敏感、电子迁移率低（<1cm²/Vs）以及电学参数稳定性差等方面，而多晶硅薄膜的局限性主要体现在电学性质均匀性差、制备温度高以及成本高等方面。

基于氧化物的薄膜晶体管具有电子迁移率高（1～100cm²/Vs）、制备温度低（<400℃，远低于玻璃的熔点）、成本低（只需要普通的溅射工艺即可完成）以及持续工作稳定性好的特点，其在平板显示领域尤其是有机发光显示（OLED）领域有替代传统的硅材料工艺薄膜晶体管的趋势，受到学术界和业界的关注和广泛研究。

然而，由于基于氧化物的薄膜晶体管在栅压为0V的情况下仍然无法关断，处于常开状态，也就是说器件的开启电压为负值（V_on<0V），使得在其用于驱动OLED或LCD时需要设计更为复杂的驱动程序，并且会造成功耗增大。

因此，针对现有技术不足，提供一种能降低本征载流子浓度、调控阈值电压的氧化物薄膜晶体管及其制备方法以克服现有技术的不足甚为必要。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种氧化物薄膜晶体管，该氧化物薄膜晶体管能降低本征载流子浓度，实现正向调控阈值电压。

本发明的上述目的通过如下技术手段实现。

一种氧化物薄膜晶体管，设置有栅极、氧化物半导体层、位于栅极和氧化物半导体层之间的绝缘层、分别电性连接于所述氧化物半导体层两端的源极和漏极、覆设于所述源极、漏极及所述氧化物半导体层的裸露面的保护层，所述保护层的材料为含吸电子基团的有机绝缘材料。

优选的，上述吸电子基团为酰基、醛基、羧基、酰氨基、磺酸基、腈基、硝基、卤仿基和季胺基中的任意一种或者一种以上的组合。

优选的，上述吸电子基团为中强吸电子基团，具体包括—F、—Cl、—Br和—I四种卤仿基中的任意一种或者一种以上的组合。

优选的，上述吸电子基团为强吸电子基团，具体包括酰基、酰氨基、磺酸基、腈基和硝基的任意一种或者一种以上的组合。

进一步的，上述含吸电子基团的有机绝缘材料为聚合物材料。

进一步的，上述含吸电子基团的有机绝缘材料为小分子材料。

上述的氧化物半导体层的材料含有Zn、In、Ga和Sn中的任意一种或者一种以上的组合。

上述氧化物半导体层的材料还含有Cd、Ni、Al、Si、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、La、Nd、Ce、Pr、Pm、Sm和Eu中的任意一种元素或者一种以上元素的组合。

本发明的另一目的是提供一种氧化物薄膜晶体管的制备方法，所制备的氧化物薄膜晶体管能降低本征载流子浓度、调控阈值电压。

本发明的上述目的通过如下技术手段实现。

一种氧化物薄膜晶体管的制备方法，采用旋涂、打印、印刷、滴涂或浸泡方法将含吸电子基团的有机绝缘材料制备作为保护层使得所述保护层覆设于所述源极、漏极及所述氧化物半导体层的裸露面。

优选的，栅极是通过溅射、真空蒸发或溶液处理的方法制备一层厚度为100～500nm的导电薄膜，并通过遮挡掩膜或光刻的方法图形化制备而成；

绝缘层是通过阳极氧化法、热氧化法、物理气相沉积法或化学气相沉积法制备厚度为100～1000nm的薄膜，并通过遮挡掩膜或光刻法图形化制备而成；

氧化物半导体层是通过溅射法或溶胶-凝胶法制备厚度为10～100nm的薄膜，并通过遮挡掩膜法或光刻法图形化制备而成；

源极和漏极是采用真空蒸镀或溅射的方法制备一层厚度为100～1000nm的导电层，并采用遮挡掩膜或光刻的方法图形化同时制备所述源极和漏极。

本发明提供的氧化物薄膜晶体管设置有栅极、氧化物半导体层、位于栅极和氧化物半导体层之间的绝缘层、分别电性连接于所述氧化物半导体层两端的源极和漏极、覆设于所述源极、漏极及所述氧化物半导体层的裸露面的保护层，所述保护层的材料为含吸电子基团的有机绝缘材料。其制备方法是采用旋涂、打印、印刷、滴涂或浸泡方法将含吸电子基团的有机绝缘材料制备作为保护层使得所述保护层覆设于所述源极、漏极及所述氧化物半导体层的裸露面。本发明通过含吸电子基团的有机物保护层与氧化物半导体层接触来降低氧化物半导体层表面的本征电子浓度，同时形成内建电场，实现往正向调控阈值电压。此外，本发明的保护层采用旋涂、打印、印刷、滴涂或浸泡等溶液法制备，无需昂贵的真空镀膜设备，有利于降低成本和大面积制备。

附图说明

图1是本发明实施例2的氧化物薄膜晶体管的结构示意图；

图2是本发明实施例2的氧化物薄膜晶体管的保护层材料的化学结构示意图；

图3是本发明实施例2的氧化物薄膜晶体管的转移特性曲线；

图4是本发明实施例3的氧化物薄膜晶体管的保护层材料的化学结构示意图；

图5是本发明实施例3的氧化物薄膜晶体管的转移特性曲线；

图6是本发明实施例1至例3的氧化物薄膜晶体管的性能参数对比表一；

图7是本发明实施例4的氧化物薄膜晶体管的性能参数表二。

在图1中，包括：

基板10、栅极11、绝缘层12、氧化物半导体层13、

源极14a、漏极14b、保护层15。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例的范围。

实施例1。

一种氧化物薄膜晶体管，设置有栅极、氧化物半导体层、位于栅极和氧化物半导体层之间的绝缘层、分别电性连接于氧化物半导体层两端的源极和漏极、覆设于源极、漏极及氧化物半导体层的裸露面的保护层，保护层的材料为含吸电子基团的有机绝缘材料。

需要说明的是，本发明上、下位置关系是以基板作为下层的参照位置关系。

需要说明的是，作为本领域的公知常识，氧化物薄膜晶体管的基板、栅极、绝缘层、源极和漏极等层状结构是依次设置附着于各个功能层表面的，因此相邻两层之间固定连接，在此不再赘述。

需要说明的是，本发明的氧化物薄膜晶体管可以为仅包括基板、栅极、绝缘层、氧化物半导体层、源极和漏极、表面自主装单分子层的封闭结构，也可以进一步包括钝化层、刻蚀阻挡层或像素定义层等，还可以与其它器件集成等结构。

也就是说，本发明是在现有技术的氧化物薄膜晶体管的基础上用含有含吸电子基团的有机绝缘材料作为保护层，其适用于现有技术中所有氧化物薄膜晶体管结构。

具体地，吸电子基团可以包括酰基、醛基、羧基、酰氨基、磺酸基、腈基、硝基、卤仿基和季胺基中的一种或者一种以上的组合。

需要说明的是，本发明的吸电子基团包括但不局限于上述所列出的基团。

吸电子基团可以为中强吸电子基团，包括—F、—Cl、—Br和—I四种卤仿基中的一种或者一种以上的组合。

吸电子基团也可以为强吸电子基团，包括酰基、酰氨基、磺酸基、腈基和硝基的一种或者一种以上的组合。

保护层的厚度介于2nm至10μm之间，优选保护层的厚度介于10nm至2μm之间。

含吸电子基团的有机绝缘材料可以是聚合物材料，聚合物材料具有致密性好的优点。

含吸电子基团的有机绝缘材料也可以是小分子材料，小分子材料优选为自主装多分子层。

该氧化物薄膜晶体管其氧化物半导体层的材料含有Zn、In、Ga、Sn中的任意一种或者一种以上的组合，可以进一步包括Cd、Ni、Al、Si、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、La、Nd、Ce、Pr、Pm、Sm、Eu中的任意一种或一种以上元素，还可以进一步包括硼化物、氟化物、氮化物和硫化物中的一种或一种以上的组合。

基板可以为玻璃、塑料、硅片、不锈钢、石英等衬底材料中的一种，也可以进一步包括覆盖在衬底上面的缓冲层或水氧阻隔层等。

栅极的材料为金属、合金、掺杂硅、导电金属氧化物、导电聚合物等，或是由以上材料的任意组合构成的两层以上的叠层薄膜。

绝缘层可以是二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化镱、氧化钛、氧化铪、氧化钽、氧化锆等无机绝缘材料，也可以是聚酰亚胺、光刻胶、苯丙环丁烯或聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物绝缘材料构成的单层薄膜，或是由以上材料的任意组合构成的两层或以上的叠层薄膜。

上述氧化物薄膜晶体管，其制备方法是：

栅极是通过溅射、真空蒸发或溶液处理的方法制备一层厚度为100～500nm的导电薄膜，并通过遮挡掩膜或光刻的方法图形化制备而成；

氧化物半导体层是通过溅射、激光脉冲沉积、原子层沉积、化学气相沉积或溶胶-凝胶法制备厚度为10～100nm的薄膜，并通过遮挡掩膜法或光刻法图形化制备而成；

采用旋涂、打印、印刷、滴涂或浸泡方法将含吸电子基团的有机绝缘材料制备作为保护层使得保护层覆设于源极、漏极及氧化物半导体层的裸露面。

该氧化物薄膜晶体管，通过吸电子基团与氧化物半导体层接触，吸引部分氧化物半导体层的电子，降低了氧化物半导体层的载流子浓度；同时，吸电子基团还可以因为具有电偶极矩而形成内建电场，进一步调控阈值电压，使得氧化物薄膜晶体管的阈值电压朝正向移动。故其用于驱动OLED或LCD时，能够适用于现有技术中的驱动程序，不会增加功耗。

由于保护层采用旋涂、打印、印刷、滴涂或浸泡等溶液法制备，无需昂贵的真空镀膜设备，有利于降低成本和大面积制备，利于产业化。

实施例2。

一种氧化物薄膜晶体管，如图1所示，设置有基板10、栅极11、绝缘层12、氧化物半导体层13、源极14a、漏极14b和含吸电子基团的有机绝缘材料的保护层15。

栅极11位于基板10之上，绝缘层12位于基板10和栅极11之上，氧化物半导体层13覆盖在绝缘层12的上表面并与栅极11对应，源极14a和漏极14b相互间隔并分别与氧化物半导体层13的两端电极相连，保护层15覆设于氧化物半导体层13、源极14a和漏极14b的裸露面的上表面，其中保护层的材料为含吸电子基团的有机绝缘材料。

其中，基板10为玻璃。

该氧化物薄膜晶体管采用如下方式制备而成，首先在玻璃基板10上通过溅射的方法制备一层厚度为300nm的铝-钕合金薄膜，并通过光刻的方法图形化得到栅极11。

绝缘层12通过阳极氧化法制备，阳极氧化中使用的电解质溶液为酒石酸铵和乙二醇的混合液，将制备好栅极11的基片和不锈钢板放入电解质溶液中分别作为阳极和阴极。先在阳极和阴极之间加恒定的电流，阳极和阴极之间的电压将随时间线性升高，当电压达到100V时保持电压恒定100V，直至阳极和阴极之间的电流减小至约为0.001mA/cm²时，铝钕合金表面便形成一层厚度为200nm的氧化铝钕绝缘层12。

氧化物半导体层13的材料为IGZO（In₂O₃、Ga₂O₃和ZnO的摩尔比为1：1：2），氧化物半导体层13是通过射频磁控溅射法制备厚度为40nm的薄膜并通过遮挡掩膜的方法进行图形化制备而成。

源极14a和漏极14b的材料为ITO，通过溅射法制备厚度为380nm的ITO薄膜，通过遮挡掩膜的方法同时制备源极14a和漏极14b，使得形成宽度和长度分别为300μm和300μm、宽长比为1:1的沟道。

保护层15采用氰乙基普鲁士蓝(CYMM)，如图2所示。通过旋涂的方法制备形成一层厚度为100nm的保护层。

将所制备的氧化物薄膜晶体管器件性能在空气中测试。图3是本实施例的氧化物薄膜晶体管测得的转移特性曲线，即漏极14b电流与栅极11电压之间的关系。曲线的测试条件为：源极14a电压（V _S）为0V，漏极14b电压（V _D）恒定为10.1V，栅极11电压（V _G）从-10V到10V正向扫描测试漏极14b电流（I _D）。从图3中可以看出，该氧化物薄膜晶体管器件的开启电压为0.5V，已经处于常关状态。

而现有技术中没有含吸电子基团的有机材料作为保护层的氧化物薄膜晶体管器件的开启电压为–5V。

因此，通过测试实验可以看出，本发明的氧化物薄膜晶体管器件的开启电压实现了大幅正向移动，本发明能够有效调控阈值电压，实现阈值电压的正值化。故其用于驱动OLED或LCD时，能够适用于现有技术中的驱动程序，不会增加功耗。由于保护层采用旋涂、打印、印刷、滴涂或浸泡等溶液法制备，无需昂贵的真空镀膜设备，有利于降低成本和大面积制备，利于产业化。

实施例3。

本实施例的氧化物薄膜晶体管的结构如图1所示，保护层15采用含卤仿基的两种聚合物材料：聚氯乙烯(PVC)和全氟环状聚合物(CYTOP)，如图4所示。两种材料均通过旋涂的方法制备，形成厚度为60nm的保护层。其它层的具体制备方法与实施例2相同。

将所制备的氧化物薄膜晶体管器件性能在空气中测试。图5是本实施例的两种不同保护层的氧化物薄膜晶体管测得的转移特性曲线。从图中可以看出，PVC保护层的器件的开启电压为–0.7V，虽然依然为负数，但是相比于没有保护层的器件的开启电压–5V，已经往正向大幅移动了；CYTOP保护层的器件的开启电压正好处于0V。

例1至例3的氧化物薄膜晶体管的性能参数如附图6的表一所示。可见，本发明的氧化物薄膜晶体管器件的开启电压实现了大幅正向移动，本发明能够有效调控阈值电压、降低关态电流以及提高迁移率，实现阈值电压的正值化。故其用于驱动OLED或LCD时，能够适用于现有技术中的驱动程序，不会增加功耗。由于保护层采用旋涂、打印、印刷、滴涂或浸泡等溶液法制备，无需昂贵的真空镀膜设备，有利于降低成本和大面积制备，利于产业化。

实施例4。

氧化物半导体层13的材料为ZTO（SnO₂和ZnO的摩尔比为1：2）。采用如实施例2相同的方法，使用不同的材料作为含吸电子基团的有机材料制备保护层，并将所制备的器件的性能在空气中进行测试，性能参数列于附图7所示的表二。从表二的实验结果发现，本发明的氧化物薄膜晶体管器件的开启电压能够有效地向着正向移动，本发明能够有效调控阈值电压、降低关态电流以及提高迁移率。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.一种氧化物薄膜晶体管，设置有栅极、氧化物半导体层、位于栅极和氧化物半导体层之间的绝缘层、分别电性连接于所述氧化物半导体层两端的源极和漏极、覆设于所述源极、漏极及所述氧化物半导体层的裸露面的保护层，其特征在于：所述保护层的材料为含吸电子基团的有机绝缘材料；

所述吸电子基团为强吸电子基团，具体包括酰基、酰氨基、磺酸基、腈基和硝基的任意一种或者一种以上的组合。

2.根据权利要求1所述的氧化物薄膜晶体管，其特征在于：所述含吸电子基团的有机绝缘材料为小分子材料。

3.根据权利要求2所述的氧化物薄膜晶体管，其特征在于：所述的氧化物半导体层的材料含有Zn、In、Ga和Sn中的任意一种或者一种以上的组合。

4.根据权利要求3所述的氧化物薄膜晶体管，其特征在于：所述氧化物半导体层的材料还含有Cd、Ni、Al、Si、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、La、Nd、Ce、Pr、Pm、Sm和Eu中的任意一种元素或者一种以上元素的组合。

5.如权利要求1至4任意一项所述的氧化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：

采用旋涂、打印、印刷、滴涂或浸泡方法将含吸电子基团的有机绝缘材料制备作为保护层使得所述保护层覆设于所述源极、漏极及所述氧化物半导体层的裸露面。

6.如权利要求5所述的氧化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：

所述栅极是通过溅射、真空蒸发或溶液处理的方法制备一层厚度为100～500nm的导电薄膜，并通过遮挡掩膜或光刻的方法图形化制备而成；

所述绝缘层是通过阳极氧化法、热氧化法、物理气相沉积法或化学气相沉积法制备厚度为100～1000nm的薄膜，并通过遮挡掩膜或光刻法图形化制备而成；

所述氧化物半导体层是通过溅射法或溶胶-凝胶法制备厚度为10～100nm的薄膜，并通过遮挡掩膜法或光刻法图形化制备而成；

所述源极和漏极是采用真空蒸镀或溅射的方法制备一层厚度为100～1000nm的导电层，并采用遮挡掩膜或光刻的方法图形化同时制备所述源极和漏极。