CN104992982A - 一种具有超晶格结构的薄膜晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有超晶格结构的薄膜晶体管及其制备工艺，其结构包括衬底、栅绝缘层、有源层、漏区、源极、漏极及栅极，其特征在于：所述有源层采用超晶格结构。超晶格结构层的生成方式为分子束外延方式或金属有机化合物气相沉积方式，根据X射线实验计算得出所述超晶格结构生长速率和阱层厚度，阱层厚度≤100nm。其降低了各层的晶体缺陷密度和压电极化效应，提高了各层膜之间的致密性，使电子在平面内能自由运动而具有更高的迁移率；超晶格材料具有选择广泛，制备方法能够精确地控制薄层的厚度，生长薄层单晶材料的温度低等优点。
Description
技术领域
本发明属于薄膜晶体管技术领域，尤其涉及一种有源层采用超晶格结构的薄膜晶体管及其制备工艺。
背景技术
薄膜晶体管（TFT）技术是液晶（LC）、无机和有机薄膜电致发光（EL和OEL）平板显示器的基础，用于驱动显示器的每一像素点。现今TFT结构主要分顶栅和底栅结构，每种结构又分顶接触和底接触两种。基于TFT具备高迁移率、高开关比、低阈值电压及良好的稳定性等性能，不管哪种结构，直接影响这些性能的有源层都是研究的重点。
目前，量产的TFT有源层采用的多为非晶硅（a-si）、多晶硅（p-si）以及单晶硅（s-si）等晶体硅薄膜。由于晶体硅薄膜是由晶粒组成的，其晶粒间界中存在大量的悬挂键与缺陷态，这些陷阱使其有效迁移率大大降低，对有源层的性能产生很大的影响。低温多晶硅（LTPS）TFT的电子迁移率虽可高达200cm2/Vs，但是其低温大面积制造成本很高。基于此，又提出了采用氧化物或者有机物来作为有源层的制备材料，但是其技术并没有晶体硅成熟，虽然某些方面得到突破，但作为生产还存在很多问题。此外，TFT工作原理重要的一环是载流子聚集到栅极表面形成导电沟道以使源、漏极导通，载流子迁移率的大小决定了TFT的驱动能力。如果采用原始电极之间的三层膜结构，则由于各层膜之间有较多的缺陷与界面陷阱而致密性不高，载流子经过各层膜时产生载流子捕获缺陷与阈值电压偏移，从而使载流子迁移率大大下降。
然而在1969年由美国国际商用机器(IBM)公司的江崎、朱兆祥提出的超晶格结构，即用多种晶格匹配很好的半导体材料交替地生长周期性结构，其大大降低了各层的晶体缺陷密度和由于晶格不匹配而产生的压电极化效应。且载流子在超晶格结构中，在xy平面内自由运动，在z方向受到有效势U(z)的束缚，所以电子在xy平面内能自由运动而具有很高的迁移率。例如已有实验表明，含超晶格结构有源层的TFT的电场效应迁移率为0.74cm2/Vs时，而一个具有由相同的沉积条件的a-Si:H有源层TFT却为0.132cm2/Vs。且超晶格材料在分子束外延 (MBE)设备上制备时，其优点是：能够精确地控制薄层的厚度；生长薄层单晶材料的温度低；材料的组分、杂质和生长速度可以任意选择和控制；能够得到质量很高的薄层之间的界面特性等。
所以，对于TFT有源层的制备，无论从薄膜间界晶粒密度、载流子迁移率，还是从材料选择、制备工艺上，采用超晶格结构都将会是很好的研究方向。
发明内容
本发明的目的在于为薄膜晶体管的有源层提供一种超晶格结构，该结构用超晶格结构取代传统的三层薄膜结构，并提供一种制备方法。
本发明采用以下技术方案实现：一种具有超晶格结构的薄膜晶体管，包括衬底、栅绝缘层、有源层、漏区、源极、漏极及栅极，其特征在于：所述有源层采用超晶格结构。
在本发明一实施例中，所述薄膜晶体管为顶栅顶接触晶体管、顶栅底接触晶体管、底栅顶接触晶体管或底栅底接触晶体管。
在本发明一实施例中，所述超晶格结构为组分调制超晶格、掺杂调制超晶格、应变超晶格、低维超晶格、非晶态半导体超晶格、半磁超晶格或渐变能系超晶格。
在本发明一实施例中，所述超晶格结构层材料为Ⅲ-V、Ⅱ-Ⅵ、Ⅳ-Ⅵ族化合物、Ⅳ族元素半导体、非晶态半导体、金属、铁磁体、超导体或有机物。
在本发明一实施例中，所述超晶格结构层的生成方式为分子束外延方式或金属有机化合物气相沉积方式。
在本发明一实施例中，所述超晶格结构为非晶硅半导体超晶格：a-Si:H/a-SiNx:H。
进一步的，所述非晶硅半导体超晶格：a-Si:H/a-SiNx:H的制备包括以下步骤：设Vt、t0分别为a-Si:H层的生长速率和生长时间，Vn、t1分别为a -SiNx:H层的生长速率和生长时间；由X 射线实验测出一组超晶格结构样品的周期值，根据生长时间和公式：d =Vtt0+
Vnt1，计算出所述超晶格结构生长速率和阱层厚度。
进一步的，所述阱层厚度
100nm。
在本发明一实施例中，所述a-Si:H子层厚度取25Å ，a-SiNx:H取50Å，周期数取10。
与现有技术相比，本发明大大降低了各层的晶体缺陷密度和由于晶格不匹配而产生的压电极化效应。且由于载流子在超晶格结构中，在xy平面内自由运动，在z方向受到有效势U(z)的束缚，使电子在平面内能自由运动而具有很高的迁移率；解决了各层膜之间的缺陷与界面陷阱问题，提高了各层膜之间的致密性，使载流子具有更高迁移率和移动速率；能够精确地控制薄层的厚度；生长薄层单晶材料的温度低；材料的组分、杂质和生长速度可以任意选择和控制；能够得到质量很高的薄层之间的界面特性等。
附图说明
图1为超晶格层状结构示意图；
图2为其中一种底栅底接触型的具有超晶格结构的薄膜晶体管剖面图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明采用以下技术方案实现：一种具有超晶格结构的薄膜晶体管，包括衬底、栅绝缘层、有源层、漏区、源极、漏极及栅极，其特征在于：所述有源层采用超晶格结构。
在本发明一实施例中，所述薄膜晶体管为顶栅顶接触晶体管、顶栅底接触晶体管、底栅顶接触晶体管或底栅底接触晶体管。
在本发明一实施例中，所述有源层采用非晶硅半导体超晶格。
所述超晶格结构层采用超晶格结构类别可选：组分调制超晶格、掺杂调制超晶格//应变超晶格、低维超晶格、非晶态半导体超晶格、半磁超晶格或渐变能系超晶格。
在本发明一实施例中，所述超晶格结构层材料为Ⅲ-V、Ⅱ-Ⅵ、Ⅳ-Ⅵ族化合物、Ⅳ族元素半导体、非晶态半导体、金属、铁磁体、超导体或有机物。超晶格结构层材料符合制备薄膜晶体管有源层各种材料的选择，同时须符合晶格常数相近的材料。
在本发明一实施例中，所述超晶格结构层的生成方式为分子束外延方式或金属有机化合物气相沉积方式。前者是在超高真空条件下，可制备几个原子甚至一个原子层后的单晶薄膜和超晶格量子阱；后者主要用于Ⅲ、V和Ⅱ、Ⅵ族化合物的生长。
较佳的，所述超晶格结构为非晶硅半导体超晶格：a-Si:H/a-SiNx:H。
进一步的，所述非晶硅半导体超晶格：a-Si:H/a-SiNx:H的制备包括以下步骤：设Vt、t0分别为a-Si:H层的生长速率和生长时间，Vn、t1分别为a -SiNx:H层的生长速率和生长时间；由X 射线实验测出一组超晶格结构样品的周期值，根据生长时间和公式：d =Vtt0+
Vnt1，计算出所述超晶格结构生长速率和阱层厚度。
进一步的，所述阱层厚度100nm。
在本发明一实施例中，所述a-Si:H子层厚度取25Å ，a-SiNx:H取50Å，周期数取10。
所述薄膜晶体管结构分为顶栅顶接触、顶栅底接触、底栅顶接触、底栅底接触这四种结构，其中所述有源层不管在哪种结构均位于三电极之间。在本发明中以底栅底接触作为实施例进行说明。
较佳的，所述有源层采用非晶硅半导体超晶格：a-Si:H/a-SiNx:H来作为实施例具体说明。由于非晶硅半导体超晶格由于重复单元材料的晶格无序性，对晶格匹配的要求不那么苛刻，生长工艺一般为沉积和溅射等方法。
所述超晶格结构每层材料的厚度必须在100nm以下才算超晶格，而有源层的厚度一般控制在100nm以内。由于量子尺寸效应，a-Si:H/a-SiNx:H超晶格每子层厚度可取15~25Å（1Å=0.1nm），周期数可取15~20。
参见附图1和图2，其中图1为超晶格层状结构示意图。图2为其中本发明一实施例一种底栅底接触型的具有超晶格结构的薄膜晶体管剖面图。
所述的超晶格结构示意图包括11a-Si:H层、12 a-SiNx:H层。
所述的含超晶格结构有源层的薄膜晶体管剖面图包括：21玻璃基片，22栅极，23栅极绝缘层，24 a-Si:H/a-SiNx:H超晶格结构层（有源层），25保护层，26a、26b欧姆接触层，27漏极，28源极。
上述的a-Si:H/a-SiNx:H超晶格结构层，制备样品采用单室电容耦合辉光放电系统。本发明制备a-Si:H和a-SiNx:H的源气体采用氢气稀释到5% 的硅烷SiH4气体和高纯99.99% 甲烷CH4气体。生长a-Si:H和a-SiNx:H衬底温度必须相同，由于CH4在较低温度下生长为金刚石结构，采用1750C的衬底温度。生长a-Si:H和a-SiNx:H的功率要相同，采用小功率生长以减少界面态。为避免a-Si:H和a-SiNx:H生长转换过程中的“交叉污染”，将系统真空度抽至Torr。
有源层厚度100nm。在本发明几个实施例中，有源层厚度分别为90nm、75nm、60nm。生长厚度根据式d =Vtt0+
Vnt1，测量出周期值，并计算出生长速率和阱层厚度。其中用XRD（X射线衍射）观看晶体结构，可用椭偏仪或台阶仪等测膜的厚度。作为参考，a-Si:H子层厚度取约25Å ，a-SiNx:H取约50Å，周期数取10。
上述除有源层，其它薄膜制备工艺仍采用原技术进行制备。
以上所述仅为本发明的其一实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (9)
1. 一种具有超晶格结构的薄膜晶体管，包括衬底、栅绝缘层、有源层、漏区、源极、漏极及栅极，其特征在于：所述有源层采用超晶格结构。
2.根据权利要求1所述的具有超晶格结构的薄膜晶体管，其特征在于：所述薄膜晶体管为顶栅顶接触晶体管、顶栅底接触晶体管、底栅顶接触晶体管或底栅底接触晶体管。
3.根据权利要求1所述的具有超晶格结构的薄膜晶体管及其制备工艺，其特征在于：所述超晶格结构为组分调制超晶格、掺杂调制超晶格、应变超晶格、低维超晶格、非晶态半导体超晶格、半磁超晶格或渐变能系超晶格。
4.根据权利要求1所述的具有超晶格结构的薄膜晶体管，其特征在于：所述超晶格结构层材料为Ⅲ-V、Ⅱ-Ⅵ、Ⅳ-Ⅵ族化合物、Ⅳ族元素半导体、非晶态半导体、金属、铁磁体、超导体或有机物。
5.根据权利要求1所述的具有超晶格结构的薄膜晶体管，其特征在于：所述超晶格结构层的生成方式为激光脉冲沉积方法、分子束外延方式或金属有机化合物气相沉积方式。
6.根据权利要求1所述的具有超晶格结构的薄膜晶体管，其特征在于：所述超晶格结构为非晶硅半导体超晶格：a-Si:H/a-SiNx:H。
7.根据权利要求6所述的具有超晶格结构的薄膜晶体管，其特征在于：所述非晶硅半导体超晶格：a-Si:H/a-SiNx:H的制备包括以下步骤：设Vt、t0分别为a-Si:H层的生长速率和生长时间，Vn、t1分别为a -SiNx:H层的生长速率和生长时间；由X 射线实验测出一组超晶格结构样品的周期值，根据生长时间和公式：d =Vtt0+ Vnt1，计算出所述超晶格结构生长速率和阱层厚度。
8.根据权利要求7所述的具有超晶格结构的薄膜晶体管，其特征在于：所述阱层厚度
100。
9.根据权利要求7所述的具有超晶格结构的薄膜晶体管，其特征在于：所述a-Si:H子层厚度取25Å ，a-SiNx:H取50Å，周期数取10。
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106373977A (zh) * | 2016-10-09 | 2017-02-01 | 中山大学 | 一种光增强的振动能量采集器件和阵列 |
| WO2018064893A1 (zh) * | 2016-10-09 | 2018-04-12 | 中山大学 | 一种光增强的振动能量采集器件和阵列 |
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| CN112397581A (zh) * | 2020-11-18 | 2021-02-23 | 光华临港工程应用技术研发(上海)有限公司 | 隧道场效应晶体管及其制作方法 |
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