CN112467002B - 一种氧化物发光场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
一种氧化物发光场效应晶体管，设置有基板、栅极、绝缘层、有源层、源极和漏极，以掺有稀土元素的氧化物半导体材料作为有源层。所述稀土元素为Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或者Yb中的至少一种。本发明的氧化物发光场效应晶体管，在具有加栅压和漏压时能够实现紫外、可见和红外区域的电致发光。而且本发明的氧化物发光场效应晶体管因为稀土元素的掺杂，从而具有迁移率较高，工艺温度低，良好的电学性能及良好的光学透过性等优势。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种氧化物发光场效应晶体管。
背景技术
发光场效应晶体管是集成了场效应晶体管的开关控制能力和发光二极管电致发光能力的新型光电子器件。发光场效应晶体管作为一种新兴的多功能光电器件，发光场效应晶体管在平板显示、集成光电子、电泵浦激光及新型光耦领域具有重要的应用前景。基于发光场效应晶体管的显示技术相比于基于场效应晶体管驱动OLED的显示技术，具有更简单的制备工艺和更高的集成度，被视为下一代显示技术的有力竞争者。
同时由于发光场效应晶体管具有高电流密度、低金属电极吸收损耗等特点，可用来构筑电泵浦激光器。在过去的几十年里，有机发光场效应晶体管、量子点发光场效应晶体管和钙钛矿基发光场效应晶体管等发光场效应在外量子效率(EQE)、亮度、器件结构和电荷载流子迁移率方面取得了很大进步。但是现有技术中的发光场效应晶体管的发光效果还并不是十分理想。
因此针对现有技术不足，提供一种氧化物发光场效应晶体管以解决现有技术不足甚为必要。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种氧化物发光场效应晶体管。该氧化物发光场效应晶体管能够实现紫外、可见和红外区域的电致发光。
本发明的上述目的通过以下技术措施实现：
提供一种氧化物发光场效应晶体管，设置有基板、栅极、绝缘层、有源层、源极和漏极，以掺有稀土元素的氧化物半导体材料作为有源层。
优选的，上述稀土元素为Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或者Yb中的至少一种。
以摩尔百分比计，稀土元素在有源层中的含量为0.2％～60％。
优选的，上述氧化物半导体材料为氧化锌、氧化铟、氧化镓、氧化锡或者氧化钛中的至少一种。
优选的，上述有源层的厚度为5nm～600nm。
优选的，上述有源层的制备方法为真空法。
优选的，上述有源层的热处理温度为500℃以上。
优选的，上述有源层的制备方法为使用稀土掺杂氧化物半导体材料陶瓷靶在绝缘层表面进行射频溅射，制备得到图形化的有源层。
其中射频溅射的功率为60W～200W，沉积时的衬底温度为100℃～200℃。
优选的，上述有源层的制备方法为溶液法。
优选的，上述有源层的热处理温度为50℃～1200℃。
优选的，上述有源层的制备方法为将在绝缘层表面进行氧气plasma处理，然后将溶胶-凝胶溶剂热法制得的稀土元素掺杂的氧化物纳米晶材料旋涂至绝缘层表面，然后在氧气氛围下对其进行热处理，得到有源层。
优选的，上述漏极的制备方法为在控溅射腔体中，进行抽空至真空度8×10-4Pa以下，然后通入氩气，再采用直流溅射，得到厚度为50nm～200nm的图形化的漏极。
优选的，上述源极的制备方法为在有源层上直流溅射制备图形化的ITO电极陶瓷靶，得到厚度为100nm～200nm的源极。
优选的，上述绝缘层为厚度为100nm～500nm的氧化硅、氧化铝、氧化铪或氧化锆。
优选的，上述栅极为导电硅片、金属单质、氧化物或有机物导电电极
本发明的一种氧化物发光场效应晶体管，设置有基板、栅极、绝缘层、有源层、源极和漏极，以掺有稀土元素的氧化物半导体材料作为有源层。本发明的氧化物发光场效应晶体管，在具有加栅压和漏压时能够实现紫外、可见和红外区域的电致发光。而且本发明的氧化物发光场效应晶体管因为稀土元素的掺杂，从而具有迁移率较高，工艺温度低，良好的电学性能及良好的光学透过性等优势。
附图说明
利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
图1为本发明制得的氧化物发光场效应晶体管中的底栅结构的发光场效应晶体管结构示意图。
图2为本发明制得的氧化物发光场效应晶体管中的另一底栅结构的发光场效应晶体管结构示意图。
图3为本发明制得的氧化物发光场效应晶体管中的顶栅结构的发光场效应晶体管结构示意图。
图4为本发明制得的氧化物发光场效应晶体管中的另一顶栅结构的发光场效应晶体管结构示意图。
图5为本发明制得的氧化物发光场效应晶体管中的垂直型发光场效应晶体管结构示意图。
在图1至图5中，包括有：
基板1、栅极2、绝缘层3、有源层4、源极5、漏极6。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1。
一种氧化物发光场效应晶体管，设置有基板、栅极、绝缘层、有源层、源极和漏极，以掺有稀土元素的氧化物半导体材料作为有源层。其中有源层的厚度为5nm～600nm。
本发明的稀土元素为Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或者Yb中的至少一种。而且以摩尔百分比计，稀土元素在有源层中的含量为0.2％～60％。
而本发明的氧化物半导体材料为氧化锌、氧化铟、氧化镓、氧化锡或者氧化钛中的至少一种。
本发明的可以制得结构为图1至图5发光场效应晶体管结构。其中图1和图2的源电极和漏电极分别与有源层4顶接触接触为一个电极，与有源层4为底接触另一电极。其中图3和图4的源电极和漏电极分别与有源层4顶接触接触为一个电极，与有源层4底接触为另一电极。
稀土元素发光较多的优势，具体如下：(1)发光谱带窄、色纯度高，光吸收能力强、转换效率高；(2)发射光分布波段广；(3)4f轨道处于内层，几乎不会受外部环境的影响，因此光色基本不随基质的不同而发生改变；(4)荧光寿命从纳秒到毫秒跨越多个量级；(5)稀土元素的物理化学性质稳定，从而耐高温，也能承受大功率电子束、高能辐射和强紫外光的作用；(6)稀土元素的温度淬灭小，浓度淬灭小。
本发明可以在氧化物半导体材料中掺入稀土元素后，且其富氧环境有利于稀土离子的光学跃迁，其中氧化物半导体材料作为基质材料，稀土离子则为发光中心。本发明的氧化物发光场效应晶体管，具有迁移率较高，工艺温度低，良好的电学性能及良好的光学透过性等优势。本发明的氧化物发光场效应晶体管，在具有加栅压和漏压时能够实现紫外、可见和红外区域的电致发光。
实施例2。
一种氧化物发光场效应晶体管，其他特征与实施例1相同，还具有如下特点：有源层4的制备方法为真空法，而且有源层4的热处理温度为500℃以上。
需要说明的是，有源层4的热处理温度在500℃以上稀土掺杂氧化物薄膜才能够结晶，从而激发出源自稀土离子的特征发光。
具体的有源层4的制备方法为使用稀土掺杂氧化物半导体材料陶瓷靶在绝缘层3表面进行射频溅射，制备得到图形化的有源层4。其中射频溅射的功率为60W～200W，沉积时的衬底温度为100℃～200℃。
其中，漏极6的制备方法为在控溅射腔体中，进行抽空至真空度8×10-4Pa以下，然后通入氩气，再采用直流溅射，得到厚度为50nm～200nm的图形化的漏极6。
其中，源极5的制备方法为在有源层4上直流溅射制备图形化的ITO电极陶瓷靶，得到厚度为100nm～200nm的源极5。
其中，绝缘层3为厚度为100nm～500nm的氧化硅、氧化铝或氧化锆。
本发明的源漏电极为不对称电极，可采用ITO、AZO、FTO、金、钼、铝等电极，其功函数与有源层4功函数应匹配以更好地实现能量注入。本实施例的源漏电极分别选为ITO、金电极。
其中，源漏电极可与有源层4接触为一个电极与有源层4顶接触而另一电极底接触。
本发明的氧化物发光场效应晶体管，在具有加栅压和漏压时能够实现紫外、可见和红外区域的电致发光。
实施例3。
一种氧化物发光场效应晶体管，其他特征与实施例1相同，还具有如下特点：本发明有源层4的制备方法为溶液法，而有源层4的热处理温度为50℃～1200℃。
具体的有源层4的制备方法为将在绝缘层3表面进行氧气plasma处理，然后将溶胶-凝胶溶剂热法制得的稀土元素掺杂的氧化物纳米晶材料旋涂至绝缘层3表面，然后在氧气氛围下进行热处理，得到有源层4。
本发明的氧化物发光场效应晶体管，在具有加栅压和漏压时能够实现紫外、可见和红外区域的电致发光。
实施例4。
一种氧化物发光场效应晶体管，有源层4通过真空法制备。
取0.001欧姆·厘米、尺寸为10×10mm2的P型<100>硅片作为衬底和栅极2，在硅片上生长有300nm厚的二氧化硅作为绝缘层3。
将绝缘层3清洗烘干后，将其放入磁控溅射腔体抽真空，待真空度抽至8×10-4Pa以下，通入氩气至0.6Pa，采用直流溅射100nm的图形化的Au薄膜，制得漏极6电极。
使用氧化物半导体材料中掺入稀土元素陶瓷靶来沉积有源层4薄膜，射频溅射功率为100W，沉积时衬底温度150℃，制备得图形化的稀土元素掺杂的氧化物薄膜，沉积后的薄膜放置在氧气氛围下于热处理温度为500℃以上退火1h。具体的热处理温度为500℃、800℃、1000℃、1200℃、1500℃为等。
使用ITO电极陶瓷靶制备源极5，具体的制备方法为在掺Eu的ZnO薄膜上直流溅射制备图形化的ITO导电薄膜，其厚度约为150nm。
本发明的氧化物发光场效应晶体管，在具有加栅压和漏压时能够实现紫外、可见和红外区域的电致发光。
实施例5。
一种氧化物发光场效应晶体管，有源层4通过溶液法。
取0.001欧姆·厘米、尺寸为10×10mm2的P型<100>硅片作为衬底和栅极2，在硅片上生长有300nm厚的二氧化硅作为绝缘层3。
将绝缘层3清洗烘干后，将其放入磁控溅射腔体抽真空，待真空度抽至8×10-4Pa以下，通入氩气至0.6Pa，采用直流溅射100nm的图形化的Au薄膜，制得漏极6电极。
将薄膜表面进行氧气plasma处理，从而改善表面亲水性，然后将溶胶-凝胶溶剂热法制得的稀土元素掺杂的氧化物纳米晶材料旋涂在表面，随后在氧气氛围下进行热处理，热处理温度为50℃～1200℃，具体的热处理温度为50℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、800℃、1000℃、1200℃等，制得有源层4薄膜，可进行图形化。
使用ITO电极陶瓷靶制备源极5，具体的制备方法为在掺Eu的ZnO薄膜上直流溅射制备图形化的ITO导电薄膜，厚度约为150nm。
本发明的氧化物发光场效应晶体管，在具有加栅压和漏压时能够实现紫外、可见和红外区域的电致发光。
实施例6。
一种氧化物发光场效应晶体管，制备方法如实施例4，有源层4成分为Eu掺杂的ZnO。
取0.001欧姆·厘米、尺寸为10×10mm2的P型<100>硅片作为衬底和栅极2，在硅片上生长有300nm厚的二氧化硅作为绝缘层3。
将绝缘层3清洗烘干后，将其放入磁控溅射腔体抽真空，待真空度抽至8×10-4Pa以下，通入氩气至0.6Pa，采用直流溅射100nm的图形化的Au薄膜，制得漏极6电极。
使用Eu2O3∶ZnO(2∶98mol％)陶瓷靶来沉积有源层4薄膜，射频溅射功率为100W，沉积时衬底温度150℃，制备得图形化的Eu掺杂的ZnO薄膜，沉积后的薄膜放置在氧气氛围下于热处理温度为700℃退火1h。
使用ITO电极陶瓷靶制备源极5，具体的制备方法为在掺Eu的ZnO薄膜上直流溅射制备图形化的ITO导电薄膜，其厚度约为150nm。
该有源层4薄膜基质材料为ZnO，稀土元素Eu在发光层薄膜中充当主要的发光中心。施加栅压和漏压时，实现与Eu3+相关的电致发光。
实施例7。
一种氧化物发光场效应晶体管，制备方法如实施例5，有源层4成分为Eu掺杂的ZnO。
取0.001欧姆·厘米、尺寸为10×10mm2的P型<100>硅片作为衬底和栅极2，在硅片上生长有300nm厚的二氧化硅作为绝缘层3。
将绝缘层3清洗烘干后，将其放入磁控溅射腔体抽真空，待真空度抽至8×10-4Pa以下，通入氩气至0.6Pa，采用直流溅射100nm的图形化的Au薄膜，制得漏极6电极。
将薄膜表面进行氧气plasma处理，从而改善表面亲水性，然后将溶胶-凝胶溶剂热法制得的稀土元素Eu掺杂ZnO纳米晶材料旋涂在表面，随后在氧气氛围下进行热处理，热处理温度为300℃，制得：Eu2O3∶ZnO(2∶98mol％)有源层4薄膜，可进行图形化。
使用ITO电极陶瓷靶制备源极5，具体的制备方法为在掺Eu的ZnO薄膜上直流溅射制备图形化的ITO导电薄膜，厚度约为150nm。
该有源层4薄膜基质材料为ZnO、稀土元素Eu在发光层薄膜中充当主要的发光中心。施加栅压和漏压时，实现与Eu3+相关的电致发光。
实施例8。
一种氧化物发光场效应晶体管，制备方法如实施例5，有源层4成分为Er掺杂的In2O3。
取0.001欧姆·厘米、尺寸为10×10mm2的P型<100>硅片作为衬底和栅极2，在硅片上生长有300nm厚的二氧化硅作为绝缘层3。
将绝缘层3清洗烘干后，将其放入磁控溅射腔体抽真空，待真空度抽至8×10-4Pa以下，通入氩气至0.6Pa，采用直流溅射100nm的图形化的Au薄膜，制得漏极6电极。
将薄膜表面进行氧气plasma处理，从而改善表面亲水性，然后将溶胶-凝胶溶剂热法制得的稀土元素Er掺杂In2O3纳米晶材料旋涂在绝缘层3表面，随后在氧气氛围下进行热处理，热处理温度为300℃，制得Er2O3∶In2O3(4∶96mol％)有源层4薄膜，可进行图形化。
使用ITO电极陶瓷靶制备源极5，具体的制备方法为在掺Eu的ZnO薄膜上直流溅射制备图形化的ITO导电薄膜，厚度约为150nm。
该有源层4薄膜基质材料为In2O3，、稀土元素Er在发光层薄膜中充当主要的发光中心。在施加栅压和漏压时，实现与Er3+相关的电致发光。
实施例9。
一种氧化物发光场效应晶体管，有源层4成分为Er掺杂的ZnO。以摩尔百分比计，有源层4中稀土元素Er掺杂量为45.5％。制备方法与实施例4或5相同。
该有源层4薄膜基质材料为ZnO、稀土元素Er在发光层薄膜中充当主要的发光中心。在施加栅压和漏压时，实现与Er3+相关的电致发光。
实施例10。
一种氧化物发光场效应晶体管，有源层4成分为Tm掺杂的ZnO。以摩尔百分比计，有源层4中稀土元素Tm掺杂量为37.91％。制备方法与实施例4或5相同。
该有源层4薄膜基质材料为ZnO、稀土元素Tm在发光层薄膜中充当主要的发光中心。在施加栅压和漏压时，实现与Tm3+相关的电致发光。
实施例11。
一种氧化物发光场效应晶体管，有源层4成分为Dy掺杂的ZnO。以摩尔百分比计，有源层4中稀土元素Dy掺杂量为0.69％。制备方法与实施例4或5相同。
该有源层4薄膜基质材料为ZnO、稀土元素Dy在发光层薄膜中充当主要的发光中心。在施加栅压和漏压时，实现与Dy3+相关的电致发光。
实施例12。
一种氧化物发光场效应晶体管，有源层4成分为Eu掺杂的Ga2O3。以摩尔百分比计，有源层4中稀土元素Eu掺杂量为3.85％。制备方法与实施例4或5相同。
该有源层4薄膜基质材料为Ga2O3、稀土元素Eu在发光层薄膜中充当主要的发光中心。在施加栅压和漏压时，实现与Eu3+相关的电致发光。
实施例13。
一种氧化物发光场效应晶体管，有源层4成分为Eu掺杂的In2O3。以摩尔百分比计，有源层4中稀土元素Eu掺杂量为21.65％。制备方法与实施例4或5相同。
该有源层4薄膜基质材料为In2O3、稀土元素Eu在发光层薄膜中充当主要的发光中心。在施加栅压和漏压时，实现与Eu3+相关的电致发光。
实施例14。
一种氧化物发光场效应晶体管，有源层4成分为Eu掺杂的SnO2。以摩尔百分比计，有源层4中稀土元素Eu掺杂量为57.62％。制备方法与实施例4或5相同。
该有源层4薄膜基质材料为SnO2、稀土元素Eu在发光层薄膜中充当主要的发光中心。在施加栅压和漏压时，实现与Eu3+相关的电致发光。
实施例15。
一种氧化物发光场效应晶体管，有源层4成分为Eu掺杂的TiO2。以摩尔百分比计，有源层4中稀土元素Eu掺杂量为12.42％。制备方法与实施例4或5相同。
该有源层4薄膜基质材料为TiO2、稀土元素Eu在发光层薄膜中充当主要的发光中心。在施加栅压和漏压时，实现与Eu3+相关的电致发光。
实施例16。
一种氧化物发光场效应晶体管，有源层4成分为Eu掺杂的IZO。以摩尔百分比计，有源层4中稀土元素Eu掺杂量为8.14％。制备方法与实施例4或5相同。
该有源层4薄膜基质材料为In2O3掺杂ZnO、稀土元素Eu在发光层薄膜中充当主要的发光中心。在施加栅压和漏压时，实现与Eu3+相关的电致发光。
实施例17。
一种氧化物发光场效应晶体管，有源层4成分为Tm掺杂的IZO。以摩尔百分比计，有源层4中稀土元素Tm掺杂量为33.33％。制备方法与实施例4或5相同。
该有源层4薄膜基质材料为In2O3掺杂ZnO、稀土元素Tm在发光层薄膜中充当主要的发光中心。在施加栅压和漏压时，实现与Tm3+相关的电致发光。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (9)
1.一种氧化物发光场效应晶体管,设置有基板、栅极、绝缘层、有源层、源极和漏极，其特征在于：以掺有稀土元素的氧化物半导体材料作为有源层，在具有加栅压和漏压时实现紫外、可见和红外区域的电致发光；
所述氧化物半导体材料为氧化锌、氧化铟、氧化镓、氧化锡或者氧化钛中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的氧化物发光场效应晶体管,其特征在于：所述稀土元素为Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或者Yb中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的氧化物发光场效应晶体管,其特征在于：以摩尔百分比计,稀土元素在有源层中的含量为0.2％～60％。
4.根据权利要求3所述的氧化物发光场效应晶体管,其特征在于：所述有源层的厚度为5nm～600nm。
5.根据权利要求4所述的氧化物发光场效应晶体管,其特征在于：所述有源层的制备方法为真空法，所述有源层的热处理温度为500℃以上。
6.根据权利要求5所述的氧化物发光场效应晶体管,其特征在于：所述有源层的制备方法为使用稀土掺杂氧化物半导体材料陶瓷靶在绝缘层表面行射频溅射，制备得到图形化的有源层；
其中射频溅射的功率为60W～200W，沉积时的衬底温度为100℃～200℃。
7.根据权利要求4所述的氧化物发光场效应晶体管,其特征在于：所述有源层的制备方法为溶液法；
所述有源层的热处理温度为50℃～1200℃。
8.根据权利要求7所述的氧化物发光场效应晶体管,其特征在于：所述有源层的制备方法为将在绝缘层表面进行氧气plasma处理，然后将溶胶-凝胶溶剂热法制得的稀土元素掺杂的氧化物纳米晶材料旋涂至绝缘层表面，然后在氧气氛围下进行热处理，得到有源层。
9.根据权利要求5至8任意一项所述的氧化物发光场效应晶体管,其特征在于：所述漏极的制备方法为在控溅射腔体中，进行抽空至真空度8×10-4Pa以下，然后通入氩气，再采用直流溅射，得到厚度为50nm～200nm的图形化的漏极；
所述源极的制备方法为在有源层上直流溅射制备图形化的ITO电极陶瓷靶，得到厚度为100nm～200nm的源极；
所述绝缘层为厚度是100nm～500nm的氧化硅、氧化铝、氧化铪或氧化锆；
所述栅极为导电硅片、金属单质、氧化物或有机物导电电极。
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