CN104900708A - 一种改善漏极电流的薄膜晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种改善漏极电流的薄膜晶体管，包括基板、栅极绝缘层、有源层、源极、漏极及栅极，其特征在于：对所述有源层进行掺杂，掺杂层呈梯度状或掺杂浓度呈梯状。所述掺杂层梯度从源极至漏极呈低至高。所述掺杂浓度的梯度从源极至漏极呈低至高。在有源层中掺杂具有一定梯度的材料，当源漏极加压的时候，由于靠近漏极的载流子较多，所以就会达到饱和区的漏极电流增大的效果。从而获得更高的开关电流比，元件的切换速度也会变得更快。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜晶体管制备的技术领域，具体涉及到一种改善漏极电流的薄膜晶体管制备方法。
背景技术
薄膜晶体管作为有源驱动中的核心元件，其包括基底、半导体沟道层、介质层、栅极、源极和漏极等几个重要的组成部分。薄膜晶体管作为开关元件，即只工作在开态（on）和关态（off）两个极端情况，开关电流比作为器件的一个重要参数，它代表了元件的灵敏度，即切换速度，开关比越高代表元件的切换速度越快，可以更好的控制显示效果。所以为了获得更高的开关电流比，可以增大开态电流（也叫漏极电流）。而通过掺杂的方法获得较高的载流子浓度即可增大开态电流。掺杂的方法主要有两种：扩散法和离子注入法。
扩散法就是利用高温将杂质掺入到半导体材料中，因为在一定的温度条件下（～1000℃），杂质原子具有一定的能量，它能够克服某种阻力进入到半导体中。
离子注入法是把分子或原子经过离化后，得到带有一定电荷的离子，经过强电场加速，并在磁分析器中借助磁场来控制离子的运动方向，筛选出所需要的离子，用这种含带高能量的离子束轰击半导体，使其停留在半导体的一定深度，再经过后续热退火激活后，占据晶格点阵位置，施加一定电压时产生电子或空穴导电。
在各类薄膜晶体管中，非晶硅薄膜晶体管具有较低的载流子迁移率（<1 cm2V-1s-1），而且偏压下稳定性也不好；多晶硅薄膜晶体管虽有较高的载流子迁移率(10～400 cm2V-1s-1)，但是多晶硅薄膜存在大量晶界，器件均匀性较差；有机薄膜晶体管虽然制备简单成本低，但目前迁移率还是比较低（ <2 cm2V-1s-1）；相比较之下，氧化物薄膜晶体管具有一些明显的优点：高的沟道载流子迁移率，大的电流开关比，特别是工艺温度要求不高，甚至可以室温下制备，完全可以沉积在透明玻璃或者是柔性熟料和纸张衬底上，并且适合大批量大面积的产业化应用。因此，正是由于这些显著的优点，近年来关于氧化物TFT的研究和报道层出不穷。
如图1所示，在栅源之间加上电压，载流子会迁移到栅极一侧，如图2所示，在源漏之间加上电压的时候，载流子会向漏极迁移。从TFT的工作原理来看，载流子的迁移会受载流子的浓度影响，经过前人的大量的研究，载流子的浓度并不是越高越好，这是因为当载流子浓度增加时，态密度中能量较低的局域态已经被载流子占据，部分载流子得以占据更高能量的局域态，这些载流子将在较高的局域态之间跳跃，由于较高能局域态的态密度高，载流子就占据了态密度较大的位置，载流子的距离近，能量差小，有利于克服空间和能量的障碍跳跃，明显导致参与传输的载流子增多，载流子跳跃的途径和跳跃的机会也多，所以载流子的迁移率得到明显增加。当掺杂浓度增大到一定的值时，载流子占据了大多数的能态密度，留给载流子传输的通道下降，跳跃也变得困难，因此载流子的迁移率下降。
发明内容
本发明的目的是提高漏极电流，因为不能无限的增大载流子的浓度来增大漏极电流，本发明提供了一种新的方案：在有源层中掺杂具有一定梯度的材料。掺杂层梯度从源极至漏极呈低至高，当TFT在工作的时候，载流子会向漏极迁移，由于梯度掺杂的效果，漏极处载流子明显比均匀掺杂时较多，因此也就增大了漏极电流。
本发明采用以下技术方案实现：一种改善漏极电流的薄膜晶体管，包括基板、栅极绝缘层、有源层、源极、漏极及栅极，其特征在于：对所述有源层进行掺杂，掺杂层呈厚度梯度状或掺杂浓度呈梯状。
在本发明一实施例中，所述掺杂层厚度梯度从源极至漏极呈低至高。
在本发明一实施例中，所述掺杂浓度的梯度从源极至漏极呈低至高。
在本发明一实施例中，所述有源层为无机半导体氧化物或有机半导体材料；所述掺杂为是P型掺杂或n型掺杂。
在本发明一实施例中，厚度梯度状有源层的制备方法包括以下步骤：通过化学气相沉积法在绝缘层上制备一薄膜；对所述薄膜进行掺杂；掺杂后的薄膜通过离子刻蚀技术形成厚度梯度状的有源层。
在本发明一实施例中，所述掺杂方法为扩散法或离子注入法。
在本发明一实施例中，所述离子注入法通过控制注入的剂量和注入的能量进行梯度掺杂；其中掺杂剂量是指杂质原子注入的浓度,其决定了掺杂层导电的强弱；所述注入能量与射程正相关，注入能量越高，杂质原子能穿入半导体层越深，射程越大。
在本发明一实施例中，，所述离子注入法可以通过控制注入的剂量和注入的能量进行梯度掺杂；其中掺杂剂量是指杂质原子注入的浓度,其决定了掺杂层导电的强弱；所述注入能量与射程正相关，注入能量越高，杂质原子能穿入半导体层越深，射程越大。
进一步的，掺杂剂量Q的计算公式为： ，其中，Q为掺杂剂量，单位是原子每平方厘米；I为束流，单位是库伦每秒；n为离子电荷；t为注入时间，单位是秒；e为电子电荷；A为注入面积，单位是平方厘米。与现有技术相比，本发明有以下优点：在有源层中掺杂具有一定梯度的材料，当源漏极加压的时候，由于靠近漏极的载流子较多，所以就会达到饱和区的漏极电流增大的效果。从而获得更高的开关电流比，元件的切换速度也会变得更快。
附图说明
图1是薄膜晶体管载流子迁移的工作原理图1；
图2是薄膜晶体管载流子迁移的工作原理图2；
图3是本发明一实施例薄膜晶体管有源层掺杂的剖面图；
图4是薄膜晶体管均匀掺杂和梯度掺杂的ID-UDS的曲线图；
图5是本发明一实施例薄膜晶体管结构的剖面图。
【标号说明】
101：基板 102：栅极绝缘层
103：掺杂层 104：有源层
105：源极 106：漏极。
具体实施方式
为使本发明的实施例要解决的技术问题和技术方案更加清楚，下面将结合附图及具体事例详细说明。
本领域技术人员易知不能无限的增大载流子的浓度来增大漏极电流，为了提高漏极电流，本发明提供了一种新的方案：在有源层中掺杂具有一定梯度的材料，在源漏极和栅源极加压的情况下，使载流子呈现如图3所示的梯度状，图4是均匀掺杂和梯度掺杂的对比。其中a是均匀掺杂；b是梯度掺杂。参见图3、4可知在有源层中掺杂具有一定梯度的材料，当源漏极加压的时候，由于靠近漏极的载流子较多，所以就会达到增大饱和区的漏极电流的效果。从而获得更高的开关电流比，元件的切换速度也会变得更快。
本发明提供一种改善漏极电流的薄膜晶体管 ，包括基板、栅极绝缘层、有源层、源极、漏极及栅极，其特征在于：对所述有源层进行掺杂，掺杂层呈梯度状或掺杂浓度呈梯状。
在本发明一实施例中，所述掺杂层梯度从源极至漏极呈低至高。
在本发明一实施例中，所述掺杂浓度的梯度从源极至漏极呈低至高。
在本发明一实施例中，所述有源层为无机半导体氧化物或有机半导体材料；所述掺杂为是P型掺杂或是n型掺杂。
在本发明一实施例中，梯度状有源层的制备方法包括以下步骤：在本发明一实施例中，梯度状有源层的制备方法包括以下步骤：通过化学气相沉积法在绝缘层上制备一薄膜；对所述薄膜进行掺杂；掺杂后的薄膜通过离子刻蚀技术形成梯度状的有源层。
在本发明中化学气相沉积法可以采用激光诱导化学气相沉积，或采用热蒸发、电子束蒸发、高频感应蒸发、磁控溅射、射频溅射、低压化学气相沉积或等离子辅助化学气相沉积。
在本发明一实施例中，所述掺杂方法为扩散法和离子注入法。
在本发明一实施例中，所述扩散法可以通过控制扩散的剂量和扩散的温度进行梯度掺杂；其中掺杂剂量是指杂质原子注入的浓度,其决定了掺杂层导电的强弱；所述扩散温度与扩散距离正相关，扩散温度越高，表示杂质原子能穿入半导体层越深，扩散距离越大。
在本发明一实施例中，所述离子注入法可以通过控制注入的剂量和注入的能量进行梯度掺杂；其中掺杂剂量是指杂质原子注入的浓度,其决定了掺杂层导电的强弱，注入能量与射程正相关，注入能量越高，表示杂质原子能穿入半导体层越深，射程越大。
在本发明一实施例中，掺杂剂量Q的计算公式为：，其中，Q为掺杂剂量，单位是原子每平方厘米；I为束流，单位是库伦每秒；n为离子电荷；t为注入时间，单位是秒；e为电子电荷；A为注入面积，单位是平方厘米。
本发明实施例结构参见图5，薄膜晶体管的结构包括基板100，在基板101上氧化生成的氧化膜也就是绝缘层102，在绝缘层102上形成有源层104，通过离子注入的方式在有源层104上注入一定梯度的掺杂层103，在有源层104的一端沉积源极105，在另一端沉积漏极106。
实施例1
对半导体层进行n型掺杂，各结构层制备方案如下：
（1）通过溅射工艺在102绝缘层薄膜上溅射一层104氧化锌（ZnO），厚度控制在50～300nm；
（2）采用离子注入的方式在104有源层中注入铟，通过控制能量和剂量，使掺杂层103呈现梯度状，注入的能量设定在50～100kV,根据能量的不同将铟掺杂成梯度状，其剂量控制在1×1016/cm2；
（3）掺杂后的器件在空气中退火，退火的温度为980℃；
（4）采用真空蒸发技术在有源层104上沉积一层铝膜；
（5）利用旋涂机在铝膜上旋涂一层光刻胶，再烘焙固化；
（6）使用特定的掩膜板对其进行紫外线曝光；
（7）用丙酮溶液除去软化的光刻胶，然后烘焙固化；
（8）将80%的磷酸+5%的乙酸+5%的硝酸+10%的水配制成溶液刻蚀铝膜；
（9）再用紫外线无掩膜板曝光，用丙酮溶液清洗，再烘焙固化，进而形成了源电极105和漏电极106。
较佳的，所述基板选用的是Si，所述绝缘层是SiO2，可以在市场上购买带有氧化层的硅片或者采用磁控溅射方法在300℃下沉积一层SiO2。
实施例2
对半导体层进行p型掺杂，基板是Si，绝缘层是SiO2，源漏电极是Al，各结构制备方案和实施案例1类似，其掺杂材料换成P2O5，用离子注入机将其离化后用磷进行掺杂。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种改善漏极电流的薄膜晶体管，包括基板、栅极绝缘层、有源层、源极、漏极及栅极，其特征在于：对所述有源层进行掺杂，掺杂层呈厚度梯度状或掺杂浓度呈梯状。
2.根据权利要求1所述的改善漏极电流的薄膜晶体管，其特征在于：所述掺杂层厚度梯度从源极至漏极呈低至高。
3.根据权利要求1所述的改善漏极电流的薄膜晶体管，其特征在于：所述掺杂浓度的梯度从源极至漏极呈低至高。
4.根据权利要求1所述的改善漏极电流的薄膜晶体管，其特征在于：所述有源层为无机半导体氧化物或有机半导体材料；所述掺杂为是P型掺杂或n型掺杂。
5.根据权利要求1所述的改善漏极电流的薄膜晶体管，其特征在于：厚度梯度状有源层的制备方法包括以下步骤：通过化学气相沉积法在绝缘层上制备一薄膜；对所述薄膜进行掺杂；掺杂后的薄膜通过离子刻蚀技术形成梯度状的有源层。
6.根据权利要求1所述的改善漏极电流的薄膜晶体管，其特征在于：所述掺杂方法为扩散法或离子注入法。
7.根据权利要求6所述的改善漏极电流的薄膜晶体管，其特征在于：所述离子注入法通过控制注入的剂量和注入的能量进行梯度掺杂；其中掺杂剂量是指杂质原子注入的浓度,其决定了掺杂层导电的强弱；所述注入能量与射程正相关，注入能量越高，杂质原子能穿入半导体层越深，射程越大。
8.根据权利要求6所述的改善漏极电流的薄膜晶体管，其特征在于：所述扩散法通过控制扩散的剂量和扩散的温度进行梯度掺杂；其中掺杂剂量是指杂质原子注入的浓度,其决定了掺杂层导电的强弱；所述扩散温度与扩散距离正相关，扩散温度越高，表示杂质原子能穿入半导体层越深，扩散距离越大。
9.根据权利要求7所述的改善漏极电流的薄膜晶体管，其特征在于：掺杂剂量Q的计算公式为： ，其中，Q为掺杂剂量，单位是原子每平方厘米；I为束流，单位是库伦每秒；n为离子电荷；t为注入时间，单位是秒；e为电子电荷；A为注入面积，单位是平方厘米。
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- 2015-05-28 CN CN201510281308.2A patent/CN104900708B/zh active Active
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