CN208385418U - 一种可靠的双极性SnO薄膜晶体管 - Google Patents
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Abstract
本实用新型的可靠的双极性SnO薄膜晶体管，包括衬底、栅极、绝缘层、半导体层、源极和漏极，半导体层为SnO半导体层，SnO半导体层的外表面上设置有氧化铝Al2O3材料形成的覆盖层，Al2O3覆盖层的厚度大于或等于4nm。本实用新型的可靠的双极性SnO薄膜晶体管，利用SnO薄膜形成p型半导体层（亦称有源层），然后在SnO半导体层上制备一层大于或等于4nm的氧化铝Al2O3材料作为覆盖层，不仅将SnO薄膜与外界环境中的水、氧气等隔离开来，而且使得所制备的SnO薄膜晶体管具备了双极性，使其可被广泛应用于柔性低功耗互补逻辑电路中，解决了现有双极性氧化物半导体的匮乏，效果显著，适于应用推广。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种薄膜晶体管，更具体的说，尤其涉及一种可靠的双极性SnO薄膜晶体管。
背景技术
相比传统非晶硅半导体及有机半导体，氧化物半导体具有迁移率高（～1-100cm2/Vs）、可见光透明性好、稳定性好、工艺成本低（可溅射、溶液法成膜等）、工艺温度低（可低至室温加工）、易于大面积柔性制备等优点，被认为是柔性透明电子电路的理想材料。大部分氧化物半导体因其固有缺陷（如氧空位）以及价带顶结构（离域化的金属s轨道电子形成导带底，因此电子有效质量低，电子迁移率高）等都是n型（即电子导电）半导体，而仅有少量氧化物如氧化亚锡（SnO）、氧化镍、氧化铜、氧化亚铜、掺杂氧化锌等可实现p型导电（即空穴导电）。P型SnO于2008年被首次实验报导，SnO因Sn空位缺陷形成能低，可提供较高的空穴载流子浓度，其电子结构独特，价带顶由离域化的Sn 5s轨道与O 2p轨道杂化构成，因此空穴有效质量低，迁移率高，再结合材料本身良好稳定性及抗辐射性等优点，SnO被认为是最具应用潜力的p型氧化物半导体。此外，SnO是一种间接带隙半导体，其间接带隙宽度仅有0.7 eV，这使基于其的薄膜晶体管（Thin film transistor，TFT）在沟道层带隙态密度较低的情况下，通过栅压可调控调控费米能级在SnO带隙中的位置，容易实现双极性导电（即同一沟道经栅压调控，即可实现空穴导电，也可实现电子导电）。
长期以来，由于高性能p型与双极性氧化物半导体的匮乏，使得氧化物半导体无法在可柔性的低功耗互补逻辑电路中发挥其应有的潜力，而高性能p型与双极性SnO的实现，则打破了这一瓶颈，为氧化物半导体在低功耗互补电子电路中的应用扫除了障碍，基于氧化物半导体的柔性透明互补电路在接下来的几十年将大有发展。采用双极性氧化物半导体制备互补逻辑电路，一种材料即可实现n型导电调控，也可实现p型导电调控，不仅解决了不同半导体材料的工艺兼容性的问题，也大大简化了制备工艺、降低了工艺成本，因此具有很好的应用前景。目前，制备双极性SnO半导体的方法尚不成熟，本专利则发明了一种可靠的制备双极性SnO的方法。
发明内容
本实用新型为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种可靠的双极性SnO薄膜晶体管。
本实用新型的可靠的双极性SnO薄膜晶体管，包括衬底、栅极、绝缘层、半导体层、源极和漏极，半导体层与绝缘层相接触，源极和漏极与半导体层相接触；其特征在于：所述半导体层为氧化亚锡SnO半导体层，SnO半导体层的外表面上设置有氧化铝Al2O3材料形成的覆盖层，Al2O3覆盖层的厚度大于或等于4nm。
本实用新型的可靠的双极性SnO薄膜晶体管，在衬底采用导电材料的情况下，衬底可同时作为栅极；在衬底采用非导电材料的情况下，应在衬底上制作导电层作为栅极。
本实用新型的可靠的双极性SnO薄膜晶体管，所述绝缘层采用诸如二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、二氧化铪HfO2、二氧化钛TioO2或氮化硅SiN的绝缘材料。
本实用新型的有益效果是：本实用新型的可靠的双极性SnO薄膜晶体管，利用SnO薄膜形成p型半导体层（亦称有源层），然后在SnO半导体层上制备一层大于或等于4nm的氧化铝Al2O3材料作为覆盖层，不仅将SnO薄膜与外界环境中的水、氧气等隔离开来，而且使得所制备的SnO薄膜晶体管具备了双极性，使其可被广泛应用于柔性低功耗互补逻辑电路中，解决了现有双极性氧化物半导体的匮乏，效果显著，适于应用推广。
附图说明
图1为本实用新型的可靠的双极性SnO薄膜晶体管的结构示意图；
图2为本实用新型中仅退火而没有设置覆盖层的SnO薄膜晶体管（称其为AWP TFT）的结构示意图；
图3为本实用新型中先退火载设置覆盖层的SnO薄膜晶体管（称其为ABP TFT）的结构示意图；
图4为本实用新型中先设置覆盖层再退火的SnO薄膜晶体管（称其为AAP TFT）的结构示意图；
图5为覆盖层Al2O3薄膜的厚度为50nm时AWP 、ABP 和AAP TFT的特性曲线图；
图6为覆盖层Al2O3薄膜的厚度为32nm时AWP 、ABP 和AAP TFT的特性曲线图；
图7为覆盖层Al2O3薄膜的厚度为16nm时AWP 、ABP 和AAP TFT的特性曲线图；
图8为覆盖层Al2O3薄膜的厚度为4nm时AWP 、ABP 和AAP TFT的特性曲线图。
图9为覆盖层Al2O3薄膜的厚度为3nm时AWP 、ABP 和AAP TFT的转移特性曲线图；
图10为覆盖层Al2O3薄膜的厚度为2nm时AWP 、ABP 和AAP TFT的转移特性曲线图；
图11为覆盖层Al2O3薄膜的厚度为1nm时AWP 、ABP 和AAP TFT的转移特性曲线图。
图中：1栅极，2绝缘层，3半导体层，4源极，5漏极，6覆盖层。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，给出了本实用新型的可靠的双极性SnO薄膜晶体管的结构示意图，其由衬底、栅极1、绝缘层2、半导体层3、源极4、漏极5和覆盖层6组成，绝缘层2设置于栅极1上，在衬底采用导电材料（如重掺杂Si片）的情况下，衬底可同时作为栅极1；如果采用非导电材料做衬底，则需要在衬底上制备作为栅极1的导电层，然后再在导电层上制备绝缘层2。所示的半导体层3（亦称为有源层）设置于绝缘层2上，半导体层3采用SnO材料，其典型的厚度为20nm。所示源极4和漏极5均设置于半导体层3上，覆盖层6设置于SnO半导体层3的外表面上，实现SnO薄膜与外界隔离。覆盖层6为Al2O3薄膜，其厚度大于或等于4nm，只有当Al2O3薄膜的厚度大于或等于4nm时，所制备的SnO薄膜晶体管才具有双极性。
其中，衬底可采用具有100nm热氧化二氧化硅层的重掺杂Si片，其中重掺杂Si片同时作为衬底和栅极1，二氧化硅层作为绝缘层2。源极4和漏极5可采用诸如Ti、Au、Pd或ITO等导电材料。
本实用新型的可靠的双极性SnO薄膜晶体管的制备方法，通过以下步骤来实现：
a).设置SnO半导体层，在含有氧气的氛围中采用反应磁控溅射工艺，在绝缘层的表面溅镀一层SnO薄膜，以形成SnO半导体层；
该步骤中，可采用具有100nm热氧化二氧化硅层的重掺杂Si片，其中重掺杂Si片同时作为衬底和栅极，二氧化硅层作为绝缘层；在反应磁控溅射过程中，靶材选用高纯金属Sn靶，如纯度为99.99%，溅射氛围可采用氩氧混合气体，如氧气含量为3%的氩氧混合气体，可选用工作压强为3.5 mTorr、溅射功率为50 W的溅镀条件，溅镀SnO薄膜厚度可选为20 nm。
b).设置源、漏电极，采用图形化工艺在SnO半导体层上溅镀源极、漏极导电电极；
该步骤中，采用诸如掩膜版、光刻等图形化工艺，源极和漏极采用诸如Ti、Au、Pd或ITO等导电材料。
c).生长Al2O3薄膜，在SnO半导体层的外表面生长一层Al2O3薄膜，作为覆盖层，以实现对SnO半导体层的的覆盖；
该步骤中，生长Al2O3薄膜的方法采用原子层沉积ALD，所制备的Al2O3薄膜的厚度大于或等于4nm。
d).退火处理，将步骤c)中获取的器件进行退火处理，即可得到双极性SnO半导体TFT。
该步骤中，退火条件为：首先将器件加热至175～250℃，并保持0.5～2hour，然后冷却。
采用ALD成膜方法生长Al2O3覆盖层，只有当覆盖层厚度在4nm以上时才能实现SnO的双极性导电特性，当覆盖层厚度小于4nm时SnO沟道导电特性为p型。采用相同的工艺也尝试了用PMMA作为覆盖层，发现，即使PMMA厚度高达200nm，仍然无法实现双极性（所制备的SnO器件仍为p型）。
图2给出了本实用新型中仅退火而没有设置覆盖层的SnO薄膜晶体管（称其为AWPTFT）的结构示意图，AWP为Annealing Without Passivation的缩写，意为仅退火而没有钝化（设置覆盖层）处理的SnO薄膜晶体管。图3为本实用新型中先退火载设置覆盖层的SnO薄膜晶体管（称其为ABP TFT）的结构示意图，ABP为Annealing Before Passivation的缩写。图4为本实用新型中先设置覆盖层再退火的SnO薄膜晶体管（称其为AAP TFT）的结构示意图，AAP为Annealing After Passivation的缩写。
如图5至图8所示，分别给出了覆盖层Al2O3薄膜的厚度为50nm、32nm、16nm、4nm时AWP 、ABP 和AAP TFT的特性曲线图，横坐标为栅极电压VG，单位为V，横坐标为漏极与源极之间的电流ID的绝对值，可见，在Al2O3薄膜的厚度为50nm、32nm、16nm、4nm时，只有先设置覆盖层再退火的SnO薄膜晶体管（称其为AAP TFT）才具有双极性，而没有设置覆盖层的AWPTFT和先退火再设置覆盖层的ABP TFT均不具备双极性。
如图9至图11所示，分别给出了覆盖层Al2O3薄膜的厚度为3nm、2nm、1nm时AWP 、ABP和AAP TFT的特性曲线图，横坐标为栅极电压VG，单位为V，横坐标为漏极与源极之间的电流ID的绝对值，可见，无论是先设置覆盖层再退火的AAP TFT，还是没有设置覆盖层的AWP TFT和先退火再设置覆盖层的ABP TFT均不具备双极性。
Claims (3)
1.一种可靠的双极性SnO薄膜晶体管，包括衬底、栅极（1）、绝缘层（2）、半导体层（3）、源极（4）和漏极（5），半导体层与绝缘层相接触，源极和漏极与半导体层相接触；其特征在于：所述半导体层为氧化亚锡SnO半导体层，SnO半导体层的外表面上设置有氧化铝Al2O3材料形成的覆盖层（6），Al2O3覆盖层的厚度大于或等于4nm。
2.根据权利要求1所述的可靠的双极性SnO薄膜晶体管，其特征在于：在衬底采用导电材料的情况下，衬底可同时作为栅极；在衬底采用非导电材料的情况下，应在衬底上制作导电层作为栅极。
3.根据权利要求1所述的可靠的双极性SnO薄膜晶体管，其特征在于：所述绝缘层（2）采用诸如二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、氧化铪HfO2、氧化钛TioO2或氮化硅SiN的绝缘材料。
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|---|---|---|---|---|
| CN110660865A (zh) * | 2018-06-29 | 2020-01-07 | 山东大学苏州研究院 | 一种可靠的双极性SnO薄膜晶体管及其制备方法 |
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