CN109888019A - 一种基于准调制掺杂效应的异质结构氧化物薄膜晶体管 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体器件领域，更具体地，涉及一种基于准调制掺杂效应的异质结构氧化物薄膜晶体管；由下至上依次为栅电极、绝缘栅层、异质有源层、源漏电极，所述的异质有源层包括与绝缘层接触的窄带隙氧化物半导体层，位于窄带隙氧化物半导体层上的宽带隙氧化物半导体层。晶体管的开启电压可通过调控宽带隙层的组分、厚度等参数进行调控，同时，由于准调制掺杂效应，薄膜晶体管的迁移率获得大幅提高。该发明专利为高性能薄膜晶体管的制备提供了一种新思路。

Description

一种基于准调制掺杂效应的异质结构氧化物薄膜晶体管

技术领域

本发明属于半导体器件领域，更具体地，涉及一种基于准调制掺杂效应的异质结构氧化物薄膜晶体管。

背景技术

薄膜晶体管(thin film transistor，TFT)是平板显示行业中一种重要的有源器件，传统的TFT多为非晶硅TFT或者多晶硅TFT。其中非晶硅TFT的迁移率低，无法满足OLED的驱动需求，而多晶硅TFT在大屏幕的均匀性上面临着挑战。2004年细野秀雄教授团队发明了非晶铟镓锌氧TFT(amorphous InGaZnO,a-IGZO)以来，氧化物晶体管由于其高的迁移率，良好的均一性，对可见光的透过性，及可低温制备的优点，受到了广泛的关注和研究，被称为下一代TFT新技术。随着显示技术向着高分辨，大尺寸，及柔性透明的方向发展，如何进一步提高氧化物半导体薄膜晶体管的迁移率及稳定性始终是研究中的重要课题。研究表明氧化物半导体的电输运模式以渗流导电为主，其迁移率和氧化物半导体的载流子浓度存在正相关性，因此提供更多的载流子浓度是提高迁移率的一个重要途径。当然，另一方面，背景载流子浓度的提高又会降低晶体管的关态特性。如何提高晶体管的迁移率，又不降低其关态特性，是解决问题的关键。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种基于准调制掺杂效应的异质结构氧化物薄膜晶体管，具有准调制掺杂二维电子气效应，晶体管的开启电压可通过调控宽带隙层的组分、厚度等参数进行调控，由于准调制掺杂效应，薄膜晶体管的迁移率获得大幅提高。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于准调制掺杂效应的异质结构氧化物薄膜晶体管，由下至上依次为栅电极、绝缘栅层、异质有源层、源漏电极，所述的异质有源层包括与绝缘层接触的窄带隙氧化物半导体层，位于窄带隙氧化物半导体层上的宽带隙氧化物半导体层。

进一步的，所述的窄带隙氧化物半导体层为氧化铟、氧化锌的二元氧化物半导体。

进一步的，所述的窄带隙氧化物半导体层的界面为平整的单晶或多晶结构，厚度小于10nm。

进一步的，所述的宽带隙氧化物半导体层为铝铟氧、铝锌氧的氧化物半导体，厚度小于5nm。

进一步的，所述的绝缘栅层为二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化铪。

进一步的，所述的源漏电极与宽带隙半导体层接触，源漏电极为金属电极或者ITO透明电极。

在本发明中，有源层为异质结构，其中和绝缘栅层接触的为窄带隙氧化物半导体层，提供电子快速传输通道，该层可以为氧化铟、氧化锌等二元氧化物半导体；其厚度小于10nm，以5nm以下为优；宽带隙氧化物半导体位于窄带隙氧化物半导体之上，与源漏电极接触，可以为铟铝氧，或者锌铝氧等三元氧化物半导体；其中铝的成分和厚度均可调；其厚度以5nm以下为佳；宽带隙氧化物半导体与窄带隙氧化物半导体接触界面清晰，互扩散可忽略；宽带隙氧化物半导体与窄带隙氧化物半导体接触会引起窄带隙氧化物半导体能带向下弯曲，在窄带隙氧化物半导体中积累电子，形成准二维电子气效应。

宽带隙氧化物半导体与源漏电极接触，调节其成分和厚度，可以控制关态电压，开态电流和器件稳定性；相比于单层结构，迁移率有了大幅度的提高，同时，通过调控宽带隙半导体层的组分，可对器件的开启电压，亚阈值摆幅等性能进行优化。

与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种基于准调制掺杂效应的异质结构氧化物薄膜晶体管，通过异质结构有源层之间的调制掺杂效应，形成二维电子气，提高晶体管的迁移率；通过控制宽带隙氧化物半导体的组分和厚度，起到保护及钝化作用，提高薄膜晶体管的稳定性；通过调节宽带隙氧化物半导体的组分和厚度，调节异质结有源层的沟道电阻，调节开启电压。

附图说明

图1是本发明实施例1中的氧化铟/铝铟氧(In₂O₃/AlInO)异质有源层薄膜晶体管的结构示意图。

图2是本发明具体实施例1中的In₂O₃/AlInO有源层与单一In₂O₃有源层薄膜晶体管的转移特性曲线。

图3是本发明具体实施例1中In₂O₃/30％AlInO异质结构的能带示意图。

图4是本发明对比例1中的单一AlInO有源层薄膜晶体管的转移特性曲线。

图5是具体实施例1中器件的迁移率，亚阈值摆幅，及开启电压的大小随上层AlInO薄膜中铝含量的变化趋势图。

图6是具体实施例2中In₂O₃/40％AlInO异质有源层薄膜晶体管的转移特性曲线。

图7是具体实施例2中In₂O₃/50％AIO异质有源层薄膜晶体管的转移特性曲线。

图8是具体实施例2中In₂O₃/3nm 40％AlInO与In₂O₃/3nm 50％AlInO器件与具体实施例1中的In₂O₃-TFT器件在10V，1ks偏压下的正偏压稳定性(PBS)测试对比结果。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

本实施例制备了氧化铟/铝铟氧(In₂O₃/AlInO)异质有源层TFT器件，由于异质有源层之间的调制掺杂效应，器件的迁移率有了明显的提高；同时，通过调节AlInO薄膜中的Al组分进而调节沟道电阻，有效地调控了器件的开启电压。

图1是本发明具体实施例1中的异质有源层结构的氧化物薄膜晶体管示意图，1，2分别为器件的源漏电极，3为异质有源层中的宽带隙AlInO薄膜，4为异质有源层中的窄带隙In₂O₃薄膜，5为100nm的二氧化硅绝缘层，6为重掺硅衬底，同时作为底栅电极。

此薄膜晶体管器件的制备流程如下：

1.配制所需要的前驱体溶液。将硝酸铟溶解到去离子水中制备浓度为0.1M的氧化铟前驱体溶液；将硝酸铟和硝酸铝分别溶解到过氧化氢溶液中制备不同配比的0.2M铝铟氧前驱体溶液，通过调节金属盐的添加量，调节铝元素含量为10％，20％，30％，40％，50％(铝元素占总金属元素的配比)。将溶液室温下搅拌18～24小时后，通过0.22微米的尼龙滤芯过滤；

2.制备所需要的氧化物薄膜。将溶液通过旋涂工艺涂覆在基片上，基片为带有100纳米热生长二氧化硅绝缘层的N型重掺硅片，首先涂覆氧化铟前驱体，旋涂后将湿膜置于300℃的热板上进行加热，层间加热时间为30分钟，而后通过旋涂不同铝含量的铝铟氧前驱体制备不同铝组分的铝铟氧薄膜，旋涂完成后，加热退火的时间为2小时；

3.将步骤2)中旋涂铝铟氧前驱体溶液变更为重复旋涂氧化铟溶液的前驱体，可得到单一氧化物作为有源层的In₂O₃-TFT，在此器件中，两层溶液的浓度均为0.1M，从而保证两层氧化铟薄膜的质量一致。此器件可视作顶层铝铟氧薄膜中铝含量为零的极端情况；

4.蒸镀金属电极。通过电子束蒸镀150纳米的金属铝源漏电极，通过光刻剥离工艺得到所需的电极图案；

5.通过光刻，ICP刻蚀工艺刻断器件之间的有源层连接，使器件之间彼此隔离，从而有效降低器件漏电流。

由此即可得到不同铝含量的In₂O₃/AlInO异质有源层结构的氧化物薄膜晶体管。

图2为实施例1中In₂O₃/AlInO-TFT器件中AlInO薄膜的铝含量由0～40％变化时，器件的转移特性曲线，从图中可以看出，当铝含量为10％时，器件性能与单独的In₂O₃-TFT未有明显差异，当铝含量升至20％时，器件的性能明显提高。图4为实施例1中相关器件的迁移率，亚阈值摆幅，开启电压随铝含量变化的趋势图，从图中可以看出，异质结构薄膜晶体管的亚阈值摆幅相比于单独的In₂O₃-TFT明显减低。随着铝含量的增加，器件的开启电压有正移的趋势。在铝含量为30％，40％时，达到器件迁移率的最优数值，但随着上层AlInO薄膜中铝含量的增加，器件的接触电阻及体电阻增加，使迁移率有所降低。

图3为In₂O₃/30％AlInO异质结构的能带示意图，从图中可以看出，两种材料接触后，In₂O₃的能带在界面处下弯，从而使AlInO中的载流子向势阱尖峰注入，增加了In₂O₃层中的载流子浓度，形成了准调制掺杂效应，从而提高了器件的迁移率。

表1为该实施例中器件性能参数的具体数值。

表1该实施例中器件性能参数的具体数值

对比例1

此对比例说明本发明中薄膜晶体管的优良性能并不能通过对单一氧化物薄膜的调控来实现。在本对比例中制备了以单一的AlInO薄膜作为有源层的氧化物薄膜晶体管。

此薄膜晶体管器件的制备流程如下：

1.配制所需要的前驱体溶液。将硝酸铟和硝酸铝分别溶解到过氧化氢溶液中制备不同配比的0.2M铝铟氧前驱体溶液，通过调节金属盐的添加量，调节铝元素含量为10％，20％，30％，40％，50％(铝元素占总金属元素的配比)。将溶液室温下搅拌18～24小时后，通过0.22微米的尼龙滤芯过滤；

2.制备所需要的氧化物薄膜。将铝铟氧前驱体溶液通过旋涂工艺涂覆在基片上，基片为带有100纳米热生长二氧化硅绝缘层的N型重掺硅片，将湿膜置于300℃的热板上进行加热，加热退火的时间为2小时；

3.蒸镀150纳米的金属铝源漏电极。

由此即可得到以不同铝含量的AlInO薄膜为有源层的氧化物薄膜晶体管。

图3即为不同铝含量的AlInO-TFT的转移特性曲线。

从图中可以看出，随着铝含量的增加，有源层薄膜的电导率降低，薄膜的性能也随之下降。

实施例2

本实施例说明通过调节上层AlInO薄膜的厚度，可以降低异质有源层的沟道电阻，从而改善器件的性能，提高器件的稳定性。

此薄膜晶体管器件的制备流程如下：

1.配制所需要的前驱体溶液。将硝酸铟溶解到去离子水中制备浓度为0.1M的氧化铟前驱体溶液；将硝酸铟和硝酸铝分别溶解到过氧化氢溶液中制备铝含量为40％，50％的0.2M铝铟氧前驱体溶液，将0.2M的前驱体溶液稀释可得到浓度为0.1M的铝铟氧前驱体溶液。将溶液室温下搅拌18～24小时后，通过0.22微米的尼龙滤芯过滤；

2.制备所需要的氧化物薄膜。将溶液通过旋涂工艺涂覆在基片上，基片为带有100纳米热生长二氧化硅绝缘层的N型重掺硅片，首先涂覆氧化铟前驱体，将湿膜置于300℃的热板上进行加热，层间加热时间为30分钟，而后通过旋涂AlInO前驱体制备顶层铝含量不同的AlInO薄膜，通过旋涂0.2M的前驱体得到的薄膜厚度约为5纳米，通过旋涂0.1M的前驱体得到的薄膜厚度约为3纳米，旋涂完成后，加热退火的时间为2小时；

3.蒸镀金属电极。通过电子束蒸镀150纳米的金属铝源漏电极，通过光刻剥离工艺得到所需的电极图案；

4.通过光刻，ICP刻蚀工艺刻断器件之间的有源层连接，使器件之间彼此隔离，从而有效降低器件漏电流；

由此即可得到高铝组分时，AlInO薄膜的厚度分别调控至3nm，5nm的In₂O₃/AlInO-TFT器件。

图5和图6分别为铝含量为40％，50％的异质有源层氧化物薄膜晶体管的转移特性曲线。从图中可以看出，当顶层AlInO薄膜的厚度降低时，器件的开态电流及迁移率均明显提高。

图8为器件的偏压测试结果，顶层AlInO薄膜厚度为3纳米的40％50％铝含量的异质有源层薄膜晶体管在1k秒，10V正偏压下，电流为1μA时的电压偏移量分别为3.15V和2.3V，比于单独的氧化铟薄膜晶体管偏移的7.69V，器件的稳定性有了明显提高。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于准调制掺杂效应的异质结构氧化物薄膜晶体管，其特征在于，由下至上依次为栅电极、绝缘栅层、异质有源层、源漏电极，所述的异质有源层包括与绝缘层接触的窄带隙氧化物半导体层，位于窄带隙氧化物半导体层上的宽带隙氧化物半导体层。

2.根据权利要求1所述的一种基于准调制掺杂效应的异质结构氧化物薄膜晶体管，其特征在于，所述的窄带隙氧化物半导体层为氧化铟、氧化锌的二元氧化物半导体。

3.根据权利要求2所述的一种基于准调制掺杂效应的异质结构氧化物薄膜晶体管，其特征在于，所述的窄带隙氧化物半导体层的界面为平整的单晶或多晶结构，厚度小于10nm。

4.根据权利要求2所述的一种基于准调制掺杂效应的异质结构氧化物薄膜晶体管，其特征在于，所述的宽带隙氧化物半导体层为铝铟氧、铝锌氧的氧化物半导体，厚度小于5nm。

5.根据权利要求2至4任一项所述的一种基于准调制掺杂效应的异质结构氧化物薄膜晶体管，其特征在于，所述的绝缘栅层为二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化铪。

6.根据权利要求5所述的一种基于准调制掺杂效应的异质结构氧化物薄膜晶体管，其特征在于，所述的源漏电极与宽带隙半导体层接触，源漏电极为金属电极或者ITO透明电极。