CN107546262A - 一种基于锶铟氧化物的薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于薄膜晶体管技术领域，公开了一种基于锶铟氧化物的薄膜晶体管及其制备方法。所述薄膜晶体管由衬底上依次设置的栅极、栅极绝缘层、有源层和源漏电极构成；所述有源层为锶铟氧化物，即在In2O3中以一定比例掺杂SrO。本发明采用锶铟氧化物作为有源层，仅需要非常低的退火温度就能够大幅度地提升电子的传输效率。
Description
技术领域
本发明属于薄膜晶体管技术领域，具体涉及一种基于锶铟氧化物的薄膜晶体管及其制备方法。
背景技术
氧化物薄膜晶体管(Thin Film Transistor,TFT)具有较高的迁移率，低的制备工艺和优异的透明度，在显示领域具有非常大的应用前景。目前，用于薄膜晶体管的有源层材料大多数为基于氧化铟(In2O3)掺杂的氧化物半导体材料。因为In元素5s轨道半径大且呈球状，所以In2O3基的氧化物材料电子能够通过重叠的5s轨道传输，受材料结构的影响很小，即使在非晶结构中也有较高的传输效率。这使得In2O3基的氧化物的迁移率要明显高于非晶硅材料，而且大部分In2O3基的氧化物在低温制备工艺中都是非晶结构，能够解决多晶硅在大面积制备时性能不均一的问题。
In2O3难以直接用于薄膜晶体管有源层，其高的载流子会导致器件难以被关断。因此，需要掺杂一些抑制载流子的元素，例如：Ga、Al和Hf等。最常见的氧化物薄膜晶体管有源层材料是InGaZnO(IGZO)。其中，In元素的作用是提供电子传输路径，Ga的作用是抑制载流子。然而，IGZO TFT在真空溅射时，由于离子轰击会产生大量的与氧相关的缺陷，例如氧空位和弱氧键等。这些与氧相关的缺陷会作为载流子散射中心，影响电子的传输。因此，IGZOTFT需要超过300℃以上的热处理使薄膜结构重组来消除这些缺陷。对于柔性显示，这种高温工艺会破坏柔性衬底，严重阻碍其在未来柔性显示领域的应用。
发明内容
针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种基于锶铟氧化物的薄膜晶体管。
本发明的另一目的在于提供上述基于锶铟氧化物的薄膜晶体管的制备方法。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种基于锶铟氧化物的薄膜晶体管，由衬底上依次设置的栅极、栅极绝缘层、有源层和源漏电极构成；所述有源层为锶铟氧化物，即在氧化铟(In2O3)中以一定比例掺杂氧化锶(SrO)。
优选地，所述锶铟氧化物的掺杂比例为SrO/In2O3：10/90wt％。
优选地，所述源漏电极的材料为Au、Ag、Cu或Al。
上述基于锶铟氧化物的薄膜晶体管的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)在衬底上先制备栅极；
(2)通过阳极氧化的方法将部分栅极氧化为绝缘的氧化物，作为栅极绝缘层；
(3)通过脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，简称PLD)的方法在栅极绝缘层上表面生长一层锶铟氧化物作为有源层；
(4)通过磁控溅射、真空蒸镀或PLD的方法沉积源漏电极，最后将所得器件在空气气氛下进行100～200℃退火处理0.5～1.5h，得到所述基于锶铟氧化物的薄膜晶体管。
本发明的原理为：采用锶铟氧化物作为有源层，因为SrO具有宽的禁带(5.7eV)，低的标准电势能(-2.9)和高的金属-氧结合能(559.7KJ/mol)，所以Sr元素主要作为载流子抑制元素。SrO具有非常高的金属-氧结合能(559.7KJ/mol)，通过低温退火，Sr离子能够与一些弱氧键结合，有效地消除与氧相关的缺陷。因此，在锶铟氧化物中，仅需要非常低的退火温度就能够大幅度地提升电子的传输效率。
相对于现有技术，本发明的薄膜晶体管具有如下优点及有益效果：
(1)本发明提供了一种基于锶铟氧化物的薄膜晶体管，能够有效的降低目前薄膜晶体管的退火工艺温度。
(2)本发明薄膜晶体管的有源层材料仅为两种化合物的掺杂，制备工艺简单。
(3)本发明的薄膜晶体管具有高的电学性能，例如高迁移率和开关比。
附图说明
图1是本发明制备的一种基于锶铟氧化物的薄膜晶体管的结构示意图，其中，01-衬底，02-栅极，03-栅极绝缘层，04-有源层，05-源漏电极。
图2是本发明制备的一种基于锶铟氧化物的薄膜晶体管的输出特性曲线图。
图3是本发明制备的一种基于锶铟氧化物的薄膜晶体管的转移特性曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例的一种基于锶铟氧化物的薄膜晶体管，其结构示意图如图1所示，由衬底上01依次设置的栅极02、栅极绝缘层03、有源层04和源漏电极05构成。
本实施例的薄膜晶体管通过如下方法制备得到：
(1)在无碱玻璃衬底上用直流磁控溅射方法沉积约300nm的Al:Nd合金作为栅极；
(2)将Al:Nd合金表面以下的200nm薄膜通过阳极氧化形成Al2O3:Nd，作为栅极绝缘层；即Al:Nd栅极为100nm，Al2O3:Nd栅极绝缘层为200nm。
(3)通过PLD烧灼锶铟氧化物靶材，掺杂比例为10wt％氧化锶，溅射粒子形成等化学计量比的锶铟氧化物薄膜，作为有源层。工艺参数为：本底真空为2×10-4Pa，激光能量95mJ，频率为2Hz，在纯氧气气氛中沉积，压强为0.3Pa，脉冲数为250。溅射时靶与衬底的间距为5cm。溅射前对靶材进行预溅射，脉冲数为1500，来消除靶材表面的污染物。
(4)室温下用蒸镀方式沉积金属Al作为源漏电极，得到一种基于锶铟氧化物的薄膜晶体管(InSrO TFT)。最后对InSrO TFT进行热处理：在空气氛围中，200℃退火0.5小时。
薄膜晶体管的性能用Agilent 4155C半导体系统分析仪测试，测试在室温大气环境进行。
图2是本实例所得基于锶铟氧化物的薄膜晶体管的输出特性曲线。横坐标是栅极电压(VD)，纵坐标是源漏电流(ID)。从图2可以观察到非常明显的饱和区，并且没有明显电流拥挤现象，这符合n型薄膜晶体管的特性，说明器件有一个良好的源/漏接触。
图3是本实例所得基于锶铟氧化物的薄膜晶体管的转移特性曲线。横坐标是栅极电压(VG)，纵坐标是源漏电流(ID)，转移特性曲线在VD为20.1V下获得。表1是根据图3的曲线提出的性能参数。InSrO TFT展现出优异的电学性能，其迁移率(μsat)为10.3cm2V-1s-1、阈值电压(Vth)为-2.1V和开关比(Ion/Ioff)高达1.26×108。该性能足以用于驱动大部分高清显示的像素。而且，InSrO TFT低的退火工艺温度(200℃)展现出在柔性显示良好的应用前景。
表1根据图3的结果获得的参数结果
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于锶铟氧化物的薄膜晶体管，由衬底上依次设置的栅极、栅极绝缘层、有源层和源漏电极构成；其特征在于：所述有源层为锶铟氧化物，即在In2O3中以一定比例掺杂SrO。
2.根据权利要求1所述的一种基于锶铟氧化物的薄膜晶体管，其特征在于：所述锶铟氧化物的掺杂比例为SrO/In2O3：10/90wt％。
3.根据权利要求1所述的一种基于锶铟氧化物的薄膜晶体管，其特征在于：所述源漏电极的材料为Au、Ag、Cu或Al。
4.权利要求1～3任一项所述的一种基于锶铟氧化物的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于包括如下制备步骤：
(1)在衬底上先制备栅极；
(2)通过阳极氧化的方法将部分栅极氧化为绝缘的氧化物，作为栅极绝缘层；
(3)通过脉冲激光沉积的方法在栅极绝缘层上表面生长一层锶铟氧化物作为有源层；
(4)通过磁控溅射、真空蒸镀或PLD的方法沉积源漏电极，最后将所得器件在空气气氛下进行100～200℃退火处理0.5～1.5h，得到所述基于锶铟氧化物的薄膜晶体管。
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| CN109920847A (zh) * | 2019-02-25 | 2019-06-21 | 天津大学 | 氧化锶栅介质层柔性氧化物薄膜晶体管及其制造方法 |
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