CN109285893A - 一种同质结薄膜晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同质结薄膜晶体管，包括源电极、漏电极和有源层，源电极、漏电极和有源层的材料均采用电阻在半导体和导体范围内可调且具有相同组成元素的氧化物材料制得的氧化物薄膜；由于它们的组成元素和制备工艺相似，因而可避免因采用组成元素不同的材料带来的交叉污染，可降低制作成本；此外，由于源、漏电极与有源层采用相同元素组成的氧化物材料，因而源、漏电极与有源层之间属同质结接触，容易形成良好的欧姆接触降低接触电阻，有利于制备高迁移率、高稳定性的薄膜晶体管器件。本发明制得的同质结薄膜晶体管具有优异的电学性能，具有较高的迁移率和稳定性，能满足驱动OLED和LCD发光单元的需求。
Description
技术领域
本发明涉及平板显示领域，特别涉及一种氧化物材料及同质结薄膜晶体管。
背景技术
目前用于平板显示的薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)的半导体有源层的材料主要是硅材料，包括非晶硅(a-Si：H)、多晶硅、微晶硅等。然而非晶硅TFT存在对光敏感、迁移率低(<1cm2/Vs)且稳定性差等缺点；多晶硅TFT虽然具有较高的迁移率，但是由于晶界的影响导致其电学均匀性差，此外，由于多晶硅制备温度高、成本高、难以大面积晶化，限制了其在平板显示中的应用；而微晶硅存在制备难度大、晶粒控制技术难度高，不容易实现大面积规模量产的缺陷。相比硅基TFT，氧化物半导体具有载流子迁移率较高、对可见光透明等优点，在平板显示的TFT基板领域，有替代用传统硅工艺制备的TFT的趋势。
现有技术中，用于有源层的半导体材料与用于源电极和漏电极的材料通常采用两种不同的材料，因而存在如下两个弊端：
(1)由于不同材料制备薄膜及图形化时对设备工艺要求不一样，会极大地增加制备成本，并且有可能会造成交叉污染；
(2)当源、漏电用一些电导率高、功函数较高的金属作为电极时，易与有源层形成肖特基势垒，增大接触电阻。
从而导致薄膜晶体管器件的稳定性差、迁移率降低，不能满足驱动有机电致发光显示(OLED)和液晶显示器(LCD)发光单元的需求。
发明内容
为了缓解现有技术的不足，本发明提供了一种同质结薄膜晶体管，所述同质结薄膜晶体管中的源电极、漏电极和有源层的材料均采用电阻在半导体和导体范围内可调且具有相同组成元素的氧化物材料制得的氧化物薄膜，使得源电极、漏电极与有源层之间属同质结接触，容易形成良好的欧姆接触进而降低接触电阻，有利于制备高迁移率、高稳定性的同质结薄膜晶体管器件，能满足了驱动OLED和LCD发光单元的需求。
为了克服上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种同质结薄膜晶体管，包括基板和设在基板上的栅电极和栅绝缘层，还包括源电极、漏电极和有源层，所述源电极、漏电极和有源层的材料为电阻在半导体和导体范围内可调的氧化物材料制得的氧化物薄膜，所述源电极和漏电极设在有源层上方或所述源电极和漏电极被有源层覆盖，所述源电极和漏电极之间互不接触。
作为上述方案的进一步改进，所述同质结薄膜晶体管还包括刻蚀阻挡层、钝化层和像素定义层。
作为上述方案的进一步改进，所述源电极、漏电极和有源层设在基板或栅绝缘层的上表面，
如底栅顶接触结构的同质结薄膜晶体管，包括基板，所述基板设在底栅顶接触结构的底部，所述基板的上方设有栅电极，所述栅电极的上方设有栅绝缘层，所述栅绝缘层的上表面设有有源层，所述有源层的上表面设有分别与有源层的两端相连的源电极和漏电极，且所述源电极和漏电极相互间隔；
底栅底接触结构的同质结薄膜晶体管，所述底栅底接触结构的底部为基板，所述基板的上方设有栅电极，所述栅电极的上方设有栅绝缘层，所述栅绝缘层上设有有源层、源电极和漏电极，所述栅绝缘层的上表面设有有源层，所述栅绝缘层的上方还设有与栅绝缘层两端相连的源电极和漏电极，所述源电极和漏电极相互间隔，所述有源层覆盖在源电极和漏电极表面；
顶栅顶接触结构的同质结薄膜晶体管，所述顶栅顶接触结构的底部为基板，所述基板的上表面设有有源层，所述基板的上方还设有与基板两端相连的源电极和漏电极，源电极和漏电极相互间隔，且有源层覆盖在源电极和漏电极的表面，所述有源层的上方设有栅绝缘层，栅绝缘层上方设有栅电极；
顶栅底接触结构的同质结薄膜晶体管，所述顶栅底接触结构的底部为基板，所述基板的上表面设有有源层，所述基板的上方还设有与基板两端相连的源电极和漏电极，且源电极和漏电极相互间隔，所述有源层的上方设有栅绝缘层，所述栅绝缘层的上方设有栅电极。
作为上述方案的进一步改进，所述氧化物材料选自Zr-In-O、In-Sn-O、In-Zn-O、In2O3、ZnO、Zr-Sn-O、In-Si-O、In-Sc-O、In-Nd-O中的一种。
作为上述方案的进一步改进，所述氧化物材料为Zr-In-O材料，所述氧化物薄膜为Zr-In-O薄膜。
作为上述方案的进一步改进，所述Zr-In-O材料为ZrO2和In2O3组成的混合物，且在所述混合物中，所述ZrO2和In2O3的质量百分比介于0.1％：99.9％至20％：80％之间。
作为上述方案的进一步改进，所述Zr-In-O薄膜的厚度为5-1000nm，所述源电极和漏电极上Zr-In-O薄膜的厚度为10-1000nm，所述有源层上Zr-In-O薄膜的厚度为5-100nm。
作为上述方案的进一步改进，所述源电极和漏电极的Zr-In-O薄膜具有导体属性，其载流子浓度大于1019/m3，方阻为10～15Ω/□，其中，所述ZrO2和In2O3的质量百分比介于0.1％：99.9％至2％：98％之间。优选地，所述ZrO2和In2O3的质量百分比为1％：99％。
作为上述方案的进一步改进，所述有源层的Zr-In-O薄膜具有半导体属性，其载流子浓度为1015～1018/m3，其中，所述ZrO2和In2O3的质量百分比介于3％：97％至20％：80％之间。优选地，所述ZrO2和In2O3的质量百分比为5％：95％。
作为上述方案的进一步改进，所述Zr-In-O薄膜是通过对Zr-In-O材料进行物理气相沉积法或溶液加工法制得，其中，所述物理气相沉积法包括磁控溅射、原子层沉积、电子束沉积法和脉冲激光沉积法，所述溶液加工法包括旋涂、滴涂、喷墨打印和卷对卷印刷法。
一种同质结薄膜晶体管的制备方法，可用于制备如上所述同质结薄膜晶体管，所述制备方法包括如下步骤：
在基板上制备并图形化金属导电层作为栅电极；
在上述金属导电层上沉积第一绝缘薄膜作为栅电极栅绝缘层；
采用Zr-In-O材料作为靶材，在所述栅电极栅绝缘层上沉积Zr-In-O薄膜并图形化形成有源层；
在所述有源层上直接沉积Zr-In-O薄膜并图形化形成源电极和漏电极，制得同质结薄膜晶体管。
其中，所述基板可采用玻璃、塑料或表面被氧化的硅片等材料；
栅电极采用导电材料，如金属、金属合金或导电金属氧化物等，还可以采用两层以上的导电材料，如Mo/Al/Mo等，栅电极的厚度为50～1000nm；
栅绝缘层可以采用电介质材料，如SiO2、SiNx、Si-O-N、Al2O3、Ta2O5、Y2O3或HfO2中的至少一种，栅绝缘层的厚度为0～1000nm；
有源层采用Zr-In-O薄膜，Zr-In-O薄膜的制备还可采用直接溅射或共溅射的方法，Zr-In-O薄膜的厚度10～100nm之间，可通过掩模或光刻的方法图形化；
具体地，直接溅射的方法为将ZrO2和In2O3两种材料按照质量百分比ZrO2：In2O3＝5％：95％混合制备在同一个靶材上进行溅射。
共溅射的方法为分别将ZrO2和In2O3两种材料制备成相应的靶材，即ZrO2靶和In2O3靶，放在同一个溅射腔室进行溅射，通过调成对应靶位的溅射功率来调节Zr-In-O薄膜的组份为ZrO2：In2O3＝5％：95％(wt％)；
源电极和漏电极采用Zr-In-O薄膜，其中，ZrO2：In2O3＝1％：99％(wt％)。源电极和漏电极采用的Zr-In-O薄膜可通过直接溅射制备，再通过光刻、lift-off或者掩模方法进行图形化，其厚度为50～1000nm。
本发明的有益效果如下：本发明提供了一种同质结薄膜晶体管，包括源电极、漏电极和有源层，所述源电极、漏电极和有源层的材料均采用电阻在半导体和导体范围内可调且具有相同组成元素的氧化物材料制得的氧化物薄膜，且分别具有半导体和导体属性的材料的制备工艺相似，所述源电极和漏电极设在有源层上方或被有源层覆盖，因而可有效避免源电极、漏电极和有源层因采用组成元素不同的材料带来的交叉污染，有利于降低制作成本。此外，源电极、漏电极与有源层采用相同元素组成的氧化物材料，也使得源电极、漏电极与有源层之间属同质结接触，容易形成良好的欧姆接触从而降低接触电阻，有利于制备高迁移率、高稳定性的薄膜晶体管器件。本发明的同质结薄膜晶体管具有优异的电学性能、较高的迁移率和稳定性，能满足驱动OLED和LCD发光单元的需求，且制备成本较低，具有明显的工业化前景。
附图说明：
图1是本发明中Zr-In-O材料作为源电极、漏电极和有源层的底栅顶接触结构同质结薄膜晶体管的截面结构示意图；
图2是本发明中Zr-In-O材料作为源电极、漏电极和有源层的底栅底接触结构同质结薄膜晶体管的截面结构示意图；
图3是本发明中Zr-In-O材料作为源电极、漏电极和有源层的顶栅顶接触结构同质结薄膜晶体管的截面结构示意图；
图4是本发明中Zr-In-O材料作为源电极、漏电极和有源层的顶栅底接触结构同质结薄膜晶体管的截面结构示意图；
图5是本发明实施例1中的同质结薄膜晶体管器件1的转移特性曲线图；
图6是本发明实施例2中的同质结薄膜晶体管器件2的转移特性曲线图；
图7是本发明实施例3中的同质结薄膜晶体管器件3的转移特性曲线图；
附图标记：1、基板；2、栅电极3、栅绝缘层；4、有源层；5、源电极；6、漏电极。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行具体描述，以便于所属技术领域的人员对本发明的理解。有必要在此特别指出的是，实施例只是用于对本发明做进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术熟练人员，根据上述发明内容对本发明所作出的非本质性的改进和调整，应仍属于本发明的保护范围。同时，下述所提及的原料未详细说明的，均为市售产品；未详细提及的工艺步骤或制备方法为均为本领域技术人员所知晓的工艺步骤或制备方法。
图1至图4是以Zr-In-O薄膜作为源电极5、漏电极6和有源层4材料的四种同质结薄膜晶体管的截面结构示意图。其中，图1为底栅顶接触结构，图2为底栅底接触结构，图3为顶栅顶接触结构，图4为顶栅底接触结构。
实施例1
如图1所示，底栅顶接触结构，包括基板1，所述基板1设在底栅顶接触结构的底部，所述基板1的上方设有栅电极2，所述栅电极2的上方设有栅绝缘层3，所述栅绝缘层3的上表面设有有源层4，所述有源层4的上表面设有分别与有源层4的两端相连的源电极5和漏电极6，且所述源电极5和漏电极6相互间隔。
实施例2
如图2所示，底栅底接触结构，所述底栅底接触结构的底部为基板1，所述基板1的上方设有栅电极2，所述栅电极2的上方设有栅绝缘层3，所述栅绝缘层3上设有有源层4、源电极5和漏电极6，所述栅绝缘层3的上表面设有有源层4，所述栅绝缘层3的上方还设有与栅绝缘层3两端相连的源电极5和漏电极6，所述源电极5和漏电极6相互间隔，所述有源层4覆盖在源电极5和漏电极6表面。
实施例3
如图3所示，顶栅顶接触结构，所述顶栅顶接触结构的底部为基板1，所述基板1的上表面设有有源层4，所述基板1的上方还设有与基板1两端相连的源电极5和漏电极6，源电极5和漏电极6相互间隔，且有源层4覆盖在源电极5和漏电极6的表面，所述有源层4的上方设有栅绝缘层3，栅绝缘层3上方设有栅电极2。
实施例4
如图4所示，顶栅底接触结构，所述顶栅底接触结构的底部为基板1，所述基板1的上表面设有有源层4，所述基板1的上方还设有与基板1两端相连的源电极5和漏电极6，且源电极5和漏电极6相互间隔，所述有源层4的上方设有栅绝缘层3，所述栅绝缘层3的上方设有栅电极2。
实施例5
本实施例的同质结薄膜晶体管采用底栅顶接触结构，如图1所示。一种薄膜晶体管的制备过程如下：
制备栅电极2：首先在玻璃材质的基板1上通过溅射的方法制造一层厚度为300nm的Al薄膜，通过光刻的方法进行图形化，得到Al栅电极2；
制备栅绝缘层3：将含有Al栅电极2的基板1置于电解液中进行阳极氧化，形成厚度为200nm的Al2O3栅绝缘层3；
制备有源层4：将ZrO2和In2O3按ZrO2：In2O3＝5％：95％(wt％)混合制备成靶材，安装在磁控溅射仪真空腔内，通过直接溅射的方法制备Zr-In-O薄膜，厚度为30nm，通过光刻的方法进行图形化制备形成有源层4。其中，所述Zr-In-O薄膜的溅射气氛为Ar和O2的混合气体，Ar：O2＝25：5(sccm)；
制备源极5和漏极6：在有源层4上面采用直接溅射的方法备厚度为200nm的Zr-In-O薄膜，采用剥离(lift-off)的方法图形化得到源极5和漏极6；其中，所用到的靶材为Zr-In-O靶材，Zr-In-O靶材中ZrO2：In2O3＝1％：99％(wt％)，溅射在纯Ar气氛下进行，得到同质结薄膜晶体管器件；
退火处理：源电极5和漏电极6制备完成后，在空气中对所得到的同质结薄膜晶体管器件进行200℃退火处理1小时，得到最终成品1。
图5是实施例5中制备的成品1测得的转移特性曲线，从图5可以看出，Zr-In-O薄膜作为源电极5、漏电极6和有源层4材料的同质结成品1具有明显的场效应特性。其迁移率为23.1cm2V-1s-1，开启电压为-2.0V，开关电流比约108，能够满足驱动OLED和LCD发光单元的需求。
实施例6
本实施例的TFT采用底栅顶接触结构，如图1所示。一种薄膜晶体管的制备过程如下：
制备栅电极2：首先在玻璃材质的基板1上通过溅射的方法制造一层厚度为300nm的Al薄膜，通过光刻的方法进行图形化，得到Al栅电极2；
制备栅绝缘层3：将含有Al栅电极2的基板1置于电解液中进行阳极氧化，形成厚度为200nm的Al2O3栅绝缘层3；
制备有源层4：将ZrO2和In2O3按ZrO2：In2O3＝5％：95％(wt％)混合制备成靶材，安装在磁控溅射仪真空腔内，通过直接溅射的方法制备Zr-In-O薄膜，厚度为30nm，通过光刻的方法进行图形化制备形成有源层4。其中，所述Zr-In-O薄膜的溅射气氛为Ar和O2的混合气体，Ar：O2＝25：2(sccm)；
制备源极5和漏极6：在有源层4上面采用直接溅射的方法备厚度为200nm的Zr-In-O薄膜，采用剥离(lift-off)的方法图形化得到源极5和漏极6；其中，所用到的靶材为Zr-In-O靶材，Zr-In-O靶材中ZrO2：In2O3＝1％：99％(wt％)，溅射在纯Ar气氛下进行，得到同质结薄膜晶体管器件；
退火处理：源电极5和漏电极6制备完成后，在空气中对所得到的同质结薄膜晶体管器件进行200℃退火处理1小时，得到最终成品2。
图6是实施例6中制备的成品2测得的转移特性曲线，从图中可以看出，Zr-In-O薄膜作为源电极5、漏电极6和有源层4材料的同质结成品2具有明显的场效应特性。其迁移率为25.3cm2V-1s-1，开启电压为-6.3V，开关电流比约107，能够满足驱动OLED和LCD发光单元的需求。值得注意的是，本实施例所制备的成品2较实施例5中所制备的成品1开启电压往负向漂移，说明本实施例中所制备的Zr-In-O薄膜载流子浓度较实施例5大，因此，造成开启电压往负向漂移。
实施例7
本实施例的TFT采用底栅顶接触结构，如图1所示。具体制备过程如下：
制备栅电极2：首先在玻璃材质的基板1上通过溅射的方法制造一层厚度为300nm的Al薄膜，通过光刻的方法进行图形化，得到Al栅电极2；
制备栅绝缘层3：将含有Al栅电极2的基板1置于电解液中进行阳极氧化，形成厚度为200nm的Al2O3栅绝缘层3；
制备有源层4：将ZrO2和In2O3按ZrO2：In2O3＝5％：95％(wt％)混合制备成靶材，安装在磁控溅射仪真空腔内，通过直接溅射的方法制备Zr-In-O薄膜，厚度为30nm，通过光刻的方法进行图形化制备形成有源层4。其中，所述Zr-In-O薄膜的溅射气氛为Ar和O2的混合气体，Ar：O2＝25：8(sccm)；
制备源极5和漏极6：在有源层4上面采用直接溅射的方法备厚度为200nm的Zr-In-O薄膜，采用剥离(lift-off)的方法图形化得到源极5和漏极6；其中，所用到的靶材为Zr-In-O靶材，Zr-In-O靶材中ZrO2：In2O3＝1％：99％(wt％)，溅射在纯Ar气氛下进行，得到同质结薄膜晶体管器件；
退火处理：源电极5和漏电极6制备完成后，在空气中对所得到的同质结薄膜晶体管器件进行200℃退火处理1小时，得到最终成品3。
图7是实施例7中制备的成品3测得的转移特性曲线，从图中可以看出，Zr-In-O薄膜作为源电极5、漏电极6和有源层4材料的同质结成品3具有明显的场效应特性。其迁移率为22.6cm2V-1s-1，开启电压为4.8V，开关电流比约108，能够满足驱动OLED和LCD发光单元的需求。值得注意的是，本实施例中成品3的开启电压较实施5中的成品1和实施例6中的成品2表现为正向漂移，这与本实施例中Zr-In-O有源层4的制备气氛有关，本实施例中Zr-In-O有源层4薄膜制备工作中氧气含量较高，因此，薄膜内所含氧空位将较大幅度降低，薄膜内的载流子浓度减小，所以本实施例中成品3的开启电压较实施5中的成品1和实施例6中的成品2表现为正向漂移。
通过实施例5-7可以看到，本发明以Zr-In-O薄膜为源电极5、漏电极6和有源层4制得的同质结TFT器件成品均表现出了优秀的电学性能，具体表现为较高的迁移率(>20cm2V- 1s-1)，较大的开关电流(>107)。其中，开启电压主要与Zr-In-O有源层4薄膜沉积气氛中氧气含量有关，较高的氧气含量会造成开启电压较正，而较低的氧气含量会造成开启电压较负。开启电压较正，器件将需要较大的开启电压才能开启；而开启电压较负，器件表现为“常开”型，需要额外在栅电极2施加负电压才能使器件得以关断。因此，不管开启电压较正或是较负，都将增大能耗，是不希望看到的。理想的，开启电压接近“0”V时，器件能耗最低。
对于本发明所属技术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简单推演或替换，而不必经过创造性的劳动。因此，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的简单改进都应该在本发明的保护范围之内。上述实施例为本发明的优选实施例，凡与本发明类似的工艺及所作的等效变化，均应属于本发明的保护范畴。
Claims (9)
1.一种同质结薄膜晶体管，包括基板和设在基板上的栅电极和栅绝缘层，其特征在于，还包括源电极、漏电极和有源层，所述源电极、漏电极和有源层的材料为电阻在半导体和导体范围内可调的氧化物材料制得的氧化物薄膜，所述源电极和漏电极设在有源层上方或所述源电极和漏电极被有源层覆盖，所述源电极和漏电极之间互不接触。
2.根据权利要求1所述的同质结薄膜晶体管，其特征在于，所述同质结薄膜晶体管还包括刻蚀阻挡层、钝化层和像素定义层。
3.根据权利要求1所述的同质结薄膜晶体管，其特征在于，所述氧化物材料选自Zr-In-O、In-Sn-O、In-Zn-O、In2O3、ZnO、Zr-Sn-O、In-Si-O、In-Sc-O、In-Nd-O中的一种。
4.根据权利要求1所述的同质结薄膜晶体管，其特征在于，所述氧化物材料为Zr-In-O材料，所述氧化物薄膜为Zr-In-O薄膜。
5.根据权利要求5所述的同质结薄膜晶体管，其特征在于，所述Zr-In-O材料为ZrO2和In2O3组成的混合物，且在所述混合物中，所述ZrO2和In2O3的质量百分比介于0.1％：99.9％至20％：80％之间。
6.根据权利要求5所述的同质结薄膜晶体管，其特征在于，所述Zr-In-O薄膜的厚度为5-1000nm，所述源电极和漏电极Zr-In-O薄膜的厚度为10-1000nm，所述有源层Zr-In-O薄膜的厚度为5-100nm。
7.根据权利要求5所述的同质结薄膜晶体管，其特征在于，所述源电极和漏电极的Zr-In-O薄膜，其载流子浓度大于1019/m3，方阻为10～15Ω/□，其中，所述ZrO2和In2O3的质量百分比介于0.1％：99.9％至2％：98％之间。
8.根据权利要求5所述的同质结薄膜晶体管，其特征在于，所述有源层的Zr-In-O薄膜，其载流子浓度为1015～1018/m3，其中，所述ZrO2和In2O3的质量百分比介于3％：97％至20％：80％之间。
9.根据权利要求4-8任一项所述的同质结薄膜晶体管，其特征在于，所述Zr-In-O薄膜是通过对Zr-In-O材料进行物理气相沉积法或溶液加工法制得，其中，所述物理气相沉积法包括磁控溅射、原子层沉积、电子束沉积法和脉冲激光沉积法，所述溶液加工法包括旋涂、滴涂、喷墨打印和卷对卷印刷法。
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