CN108987467A - 一种多元非晶氧化物半导体薄膜及其薄膜晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多元非晶氧化物半导体薄膜以及薄膜晶体管，其中非晶氧化物半导体包含至少4种金属元素与氧元素，具有非晶态结构，室温下禁带宽度3.3~4.5 eV，薄膜厚度10~100 nm，可见光透过率高于94%。金属元素优选为Zn、In、Sn、Ga、Cu、Ge、Cd、Ag、Au、Pb、Bi、Sb。多元非晶氧化物半导体薄膜可由磁控溅射制备，以此为沟道层制备的薄膜晶体管具有显著的场效应特性，开关电流比在107量级，场效应迁移率可达30~50cm2/Vs甚至更高。
Description
技术领域
本发明涉及一种非晶氧化物半导体薄膜，尤其涉及一种多元非晶氧化物半导体薄膜及其薄膜晶体管。
背景技术
薄膜晶体管（TFT）是微电子特别是显示工程领域的核心技术之一。不论在目前先进显示市场中占绝对主导优势的有源矩阵液晶显示器（AMLCD），还是代表未来柔性显示趋势的AMOLED（有源矩阵有机发光二极管显示器），TFT器件均在其中的像素驱动单元中占据关键位置。此外，TFT器件还在生物传感、紫外探照等方面得到广泛研究与应用。因此，研制和发展TFT器件具有重要的意义。TFT最重要的组成部分是其沟道层材料，关于TFT的研究也集中在沟道层材料的研发和选择上。
目前，工业生产中TFT的沟道层材料主要是非晶硅（a-Si）和低温多晶硅（LTPS），但是a-Si TFT迁移率较低（~2 cm2/Vs），难以驱动大于90英寸的显示器，而基于多晶硅（p-Si）技术的TFT虽然迁移率高（~100 cm2/Vs），但是器件均匀性较差，电学性能不稳定，而且制作成本高，这限制了它的应用。同时，Si是一种间接带隙窄禁带半导体，在可见光区域是不透明的，像素开口率不能达到100%，为了获得足够的亮度需要增加光源光强，从而增加功率。并且Si基半导体材料沟道层光敏性强，需要加掩膜版，也严重影响了开口率。这些缺点制约了Si基TFT的发展。
此外，有机半导体薄膜晶体管（OTFT）也有较多的研究，但是OTFT的稳定性不高，迁移率也比较低（~1 cm2/Vs），这对其实际应用是一个较大限制。
为解决上述问题，人们近年来开始致力于非晶氧化物半导体（AOS）TFT的研究，其中最具代表性的是InGaZnO。一般的非晶材料由于传导过程为跳跃模式，迁移率不高，而InGaZnO中的In离子外电子壳层结构为4d105s0，s轨道电子云呈球形分布，并且半径足够大以至相互重叠，为半导体电子传输提供了通道，这使得该非晶氧化物半导体也具有较高的迁移率。与Si基TFT相比较，AOS TFT具有如下优点：可见光透明，光敏退化性小，不用加掩膜层，提高了开口率，可解决开口率低对高分辨率、超精细显示屏的限制；易于室温沉积，适用于有机柔性基板；迁移率较高，可实现高的开/关电流比，较快的器件响应速度，应用于高驱动电流和高速器件；特性不均较小，电流的时间变化也较小，可抑制面板的显示不均现象，适于大面积化用途。
除了InGaZnO外，人们研究较多的还包括ZnAlSnO、InZnO、ZnSnO等非晶氧化物半导体材料。目前，人们研究与开发的基本都是三元或四元非晶氧化物半导体材料。在AOS材料中，不同的金属元素起到不同的作用，因而不同的元素组合在一起，可望发挥各自的优势，达到很好的综合性能。为此，我们提出了一种多元非晶氧化物半导体材料，如五元或六元非晶氧化物半导体薄膜，并提供了由该多元非晶氧化物半导体薄膜为沟道层的一种薄膜晶体管，具有优异的性能，可望获得实际推广和应用。
发明内容
本发明针对实际应用需求，拟提供一种多元非晶氧化物半导体薄膜及其薄膜晶体管。
本发明提供了一种多元非晶氧化物半导体薄膜，所述的多元非晶氧化物半导体薄膜的特征为：多元非晶氧化物半导体材料包括至少4种金属元素以及氧元素，具有非晶态结构，室温下禁带宽度3.3~4.5 eV，薄膜厚度10~100 nm，可见光透过率高于94%。
优选地，多元非晶氧化物半导体材料包括的金属元素，其金属离子具有(n-1)d10ns0的电子结构和球形电子云形状，其中n≥4。
优选地，金属元素选自为Zn、In、Sn、Ga、Cu、Ge、Cd、Ag、Au、Pb、Bi、Sb。
优选地，上述所述的多元非晶氧化物半导体材料可为五元非晶氧化物半导体，包括4种金属元素，化学通式为ABCDO，其中，A、B、C、D为金属元素，O为氧元素，A、B、C、D为上述金属元素的一种，且A≠B≠C≠D。
优选地，上述所述的多元非晶氧化物半导体材料可为六元非晶氧化物半导体，包括5种金属元素，化学通式为ABCDEO，其中，A、B、C、D、E为金属元素，O为氧元素，A、B、C、D、E为分别为上述金属元素的一种，且A≠B≠C≠D≠E。
以上面所述的多元非晶氧化物半导体薄膜为沟道层，制备薄膜晶体管，具有显著的场效应特性。
优选地，以非晶ZnGaSnGeO薄膜为沟道层的薄膜晶体管，开关电流比在107量级，场效应迁移率可达30cm2/Vs。
优选地，以非晶ZnGaSnGeInO薄膜为沟道层的薄膜晶体管，开关电流比在107量级，场效应迁移率可达50cm2/Vs。
本发明所述的多元非晶氧化物半导体薄膜及其薄膜晶体管，不限定其多元非晶氧化物半导体薄膜的制备方法，但优选地，可采用磁控溅射方法来制备。
本发明所提供的多元非晶氧化物半导体薄膜，也不仅仅限于五元或六元非晶氧化物半导体，七元（包含六种金属元素）或七元以上（包含六种以上的金属元素）的非晶氧化物半导体也可望具有同样甚至更好的性能，具有同样的材料和器件性能机理，也自然认为在本发明专利的保护范围之内。
本发明所述的多元非晶氧化物半导体薄膜中：所采用的金属元素，其金属离子均具有4d105s0球形电子结构，球形电子云半径大，可以相互重叠，为载流子传输提供了通道，每种金属离子均具有该结构，则可更加非常有效地形成载流子的传输通道，即便在非晶态的氧化物半导体材料中也可具有高的迁移率。上述各元素的组合，可使以所述非晶氧化物半导体薄膜为沟道层制备出的薄膜晶体管具有优良的器件性能，包括高的开关电流比和高的迁移率。
本发明的有益效果在于：
1）本发明所述的多元非晶氧化物半导体薄膜，包括至少4种金属元素。在AOS材料中，不同的金属元素起到不同的作用，因而不同的元素组合在一起，发挥各自的优势，达到很好的综合性能。
2）在多元非晶氧化物半导体材料中，所涉及的金属元素，其金属离子都具有(n-1)d10ns0（n≥4）的电子结构和球形电子云形状，该球形电子云结构为电子或空穴等载流子的传输提供了有效的传输通道。
3）本发明所述的多元非晶氧化物半导体薄膜，包含多种金属元素，其导电能力各不相同，具有良好的材料特性，其电学性能易于通过组分比例实现调控。
4）本发明所述的多元非晶氧化物半导体薄膜，可在室温下生长，与有机柔性衬底相兼容，因而可在可穿戴、智能化的柔性产品中获得广泛应用。
5）本发明所述的多元非晶氧化物半导体薄膜为宽禁带半导体，具有足够高的可见光透过性，因此透明电子器件中具有很大的应用潜力，并且减弱了其对可见光的敏感度，增强了其可见光稳定性。
6）以本发明提供的非晶氧化物半导体薄膜作为沟道层，制备出薄膜晶体管，所得器件具有显著的场效应特性，开关电流比在107量级，场效应迁移率可达30~50 cm2/Vs，性能优异。
具体实施例
以下结合具体实施例进一步说明本发明。
实施例1：非晶ZnGaSnGeO薄膜与薄膜晶体管
采用磁控溅射方法，以高纯ZnGaSnGeO陶瓷片为靶材，室温生长非晶ZnGaSnGeO薄膜，以此作为沟道层。另外以玻璃为衬底，Al为栅极、源极和漏极，SiO2为绝缘层，制备出非晶ZnGaSnGeO薄膜晶体管。
室温生长的非晶ZnGaSnGeO薄膜，对其进行结构、电学和光学性能测试，测试结果为：薄膜为非晶态，厚度10~100nm，成分分布均匀；室温下禁带宽度3.5~4.5 eV，具有n型导电特性；可见光透过率在95%以上。
制备的非晶ZnGaSnGeO薄膜晶体管，对其进行电学性能测试，测试结果为：开关电流比在107量级，场效应迁移率大于30cm2/Vs。当Zn:Ga:Sn:Ge的原子比为1:0.5:1:0.5时，场效应迁移率可达40cm2/Vs。
实施例2：非晶ZnGaSnGeInO薄膜与薄膜晶体管
采用磁控溅射方法，以高纯ZnGaSnGeInO陶瓷片为靶材，室温生长非晶ZnGaSnGeInO薄膜，以此作为沟道层。以玻璃为衬底，Al为栅极、源极和漏极，SiO2为绝缘层，制备出非晶ZnGaSnGeInO薄膜晶体管。
室温生长的非晶ZnGaSnGeInO薄膜，对其进行结构、电学和光学性能测试，测试结果为：薄膜为非晶态，厚度10~100nm，成分分布均匀；室温下禁带宽度3.3~4.2 eV，具有n型导电特性；可见光透过率在94%以上。
制备的非晶ZnGaSnGeInO薄膜晶体管，对其进行电学性能测试，测试结果为：开关电流比在107量级，场效应迁移率大于50cm2/Vs。当Zn:Ga:Sn:Ge:In的原子比为1:0.2:0.7:0.2:0.3时，场效应迁移率可达57cm2/Vs.
上述多元非晶氧化物半导体薄膜及其薄膜晶体管的性能指标，显著优于绝大多数文献报道的非晶InGaZnO或ZnAlSnO薄膜及其薄膜晶体管的性能。
在多元非晶氧化物半导体薄膜体系中，各金属元素可选自Zn、In、Sn、Ga、Cu、Ge、Cd、Ag、Au、Pb、Bi、Sb。除ZnGaSnGeO或者ZnGaSnGeInO外，其它的元素制备的非晶氧化物半导体薄膜及其相应的薄膜晶体管也具有同样的机理，具有类似的性质，同样能用上述类似的方法进行制备，所得的材料和器件具有类似的性能。
Claims (10)
1.一种多元非晶氧化物半导体薄膜，其特征在于：所述多元非晶氧化物半导体薄膜含至少4种金属元素以及氧元素，具有非晶态结构，室温下禁带宽度3.3~4.5 eV，薄膜厚度10~100 nm，可见光透过率高于94%。
2.根据权利要求1所述的多元非晶氧化物半导体薄膜，其特征在于：所述金属元素的金属离子具有(n-1)d10ns0的电子结构和球形电子云形状，其中n≥4。
3.根据权利要求1或2所述的多元非晶氧化物半导体薄膜，其特征在于：所述金属元素选自Zn、In、Sn、Ga、Cu、Ge、Cd、Ag、Au、Pb、Bi或Sb。
4.根据权利要求3所述的多元非晶氧化物半导体薄膜，其特征在于：所述多元非晶氧化物半导体薄膜为五元非晶氧化物半导体，含4种金属元素，化学通式为ABCDO，其中，A、B、C、D为各不相同的金属元素，O为氧元素。
5.根据权利要求4所述的多元非晶氧化物半导体薄膜，其特征在于：所述多元非晶氧化物半导体薄膜为ZnGaSnGeO非晶氧化物半导体。
6.根据权利要求3所述的多元非晶氧化物半导体薄膜，其特征在于：所述多元非晶氧化物半导体薄膜为为六元非晶氧化物半导体，含5种金属元素，化学通式为ABCDEO，其中，A、B、C、D、E为各不相同的金属元素，O为氧元素。
7.根据权利要求6所述的多元非晶氧化物半导体薄膜，其特征在于：所述多元非晶氧化物半导体薄膜为ZnGaSnGeInO非晶氧化物半导体。
8.一种薄膜晶体管，所述薄膜晶体管以权利要求1~7任一项所述的多元非晶氧化物半导体薄膜为沟道层。
9.一种薄膜晶体管，以权利要求5所述的多元非晶氧化物半导体薄膜为沟道层，且其中Zn:Ga:Sn:Ge的原子比为1:0.5:1:0.5，且所述薄膜晶体管的开关电流比在107量级，场效应迁移率大于30cm2/Vs。
10.一种薄膜晶体管，以权利要求7所述的多元非晶氧化物半导体薄膜为沟道层，且其中Zn:Ga:Sn:Ge:In的原子比为1:0.2:0.7:0.2:0.3，且所述薄膜晶体管的开关电流比在107量级，场效应迁移率大于50cm2/Vs。
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