專(zhuān)利名稱(chēng):摻雜氧化鋅半導(dǎo)體材料及其制備方法與應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種氧化鋅半導(dǎo)體材料,特別是涉及一種摻雜氧化鋅半導(dǎo)體材料與制備方法,以及應(yīng)用該該材料制備的薄膜晶體管,該摻雜氧化鋅半導(dǎo)體材料作為薄膜晶體管的有源溝道層可以應(yīng)用在有機(jī)發(fā)光顯示(OLED)、液晶顯示(LCD)、電子紙顯示等領(lǐng)域,也可以用于集成電路領(lǐng)域。
背景技術(shù):
近年來(lái),在平板顯示尤其是在有機(jī)電致發(fā)光顯示(OLED)領(lǐng)域,基于氧化物半導(dǎo)體的薄膜晶體管越來(lái)越受到重視。目前用在平板顯示的薄膜晶體管的半導(dǎo)體溝道層的材料主要是硅材料,包括非晶硅(a_Si:H)、多晶硅、微晶硅等。然而非晶硅薄膜晶體管具有對(duì)光敏感、遷移率低(< lcm7Vs)和穩(wěn)定性差等缺點(diǎn);多晶硅薄膜晶體管雖然具有較高的遷移率,但是由于晶界的影響導(dǎo)致其電學(xué)均勻性差,且多晶硅制備溫度高和成本高,限制了其在平板顯示中的應(yīng)用;微晶硅制備難度大,晶粒控制技術(shù)難度高,不容易實(shí)現(xiàn)大面積規(guī)模量產(chǎn)?;谘趸锇雽?dǎo)體的薄膜晶體管具有載流子遷移率較高(1 100cm2/Vs)、制備溫度低 (< 400 0C,遠(yuǎn)低于玻璃的熔點(diǎn))、對(duì)可見(jiàn)光透明等優(yōu)點(diǎn),在平板顯示的TFT基板領(lǐng)域,有替代用傳統(tǒng)硅工藝制備的薄膜晶體管的發(fā)展趨勢(shì)。氧化物半導(dǎo)體材料主要包括氧化鋅(SiO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化鋅錫(ZTO)、氧化銦鎵鋅(IGZO)等。其中,ZnO的遷移率較低,如果制備成遷移率較高的多晶的ZnO薄膜,則需要較高的溫度,但多晶的ZnO薄膜的均勻性和穩(wěn)定性較差;IGZO是報(bào)道的綜合性能較好的氧化物半導(dǎo)體材料,但其穩(wěn)定性依然不足;ZTO的成本最低,但其遷移率也相對(duì)較低,并且其熱處理溫度較高;IZO的遷移率較高,熱處理溫度也比較低,但基于IZO的薄膜晶體管的閾值電壓為負(fù)值,較難關(guān)斷且穩(wěn)定性也不足。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以控制本征載流子的數(shù)量,降低關(guān)態(tài)電流,提高開(kāi)關(guān)比的摻雜氧化鋅半導(dǎo)體材料及其制備方法。本發(fā)明的另一目的是針對(duì)現(xiàn)有的基于氧化物半導(dǎo)體材料的薄膜晶體管的穩(wěn)定性較差、開(kāi)啟電壓為負(fù)數(shù)等問(wèn)題,應(yīng)用上述材料制備遷移率較高、穩(wěn)定性較好、開(kāi)關(guān)比較高、成本較低的氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管。本發(fā)明通過(guò)引入新的aio的摻雜物,可以控制本征載流子的數(shù)量,降低關(guān)態(tài)電流, 提高開(kāi)關(guān)比;同時(shí)也改善氧化物半導(dǎo)體薄膜與絕緣層之間的接觸,減少閾值電壓漂移,達(dá)到提高薄膜晶體管的電學(xué)穩(wěn)定性的目的。本發(fā)明目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種摻雜氧化鋅半導(dǎo)體材料,在氧化鋅(ZnO)材料中同時(shí)摻入銦an)、錫(Sn)以及鎳(Ni);其成份為 NiaSnJncZndO,其中,0. 01 彡 a 彡 0. 09,0. 01 彡 b 彡 0. 09、c = 0. 3、d =0. 6 且 a+b+c+d = 1。
所述摻雜氧化鋅半導(dǎo)體材料的制備方法將摩爾比為a b c d的Ni0、Sn0、 InO和ZnO粉末研磨并混合均勻,再經(jīng)過(guò)成型、燒結(jié)、機(jī)械加工、打磨等工藝制成摻雜氧化鋅半導(dǎo)體材料的陶瓷靶材,所述燒結(jié)的溫度為1100-1200攝氏度;其中,0.01彡a彡0. 09、 0. 01 彡 b 彡 0. 09、c = 0. 3、d = 0. 6 且 a+b+c+d = 1。應(yīng)用所述摻雜氧化鋅半導(dǎo)體材料制備的薄膜晶體管包括玻璃基板、柵極、絕緣層、溝道層、源極和漏極;玻璃基板為方形板,柵極位于玻璃基板中心上部,絕緣層覆蓋在柵極上端,并且在柵極左右端和后端沿玻璃基板延伸,柵極前端在玻璃基板上端伸出絕緣層, 以供引入電信號(hào)之用;溝道層設(shè)置在絕緣層中部上端,位于柵極正上方,溝道層左右兩端伸出柵極;源極和漏極分別覆蓋在溝道層的兩端并且相互間隔;所述的溝道層材料的成份為NiaSnJncZnd0,其中,0. 01 彡 a 彡 0. 09,0. 01 彡 b 彡 0. 09、c = 0. 3、d = 0. 6 且 a+b+c+d =1,所述的溝道層的制備方法為將溝道層材料NiaSn1JneSidO作為陶瓷靶材安裝在濺射儀上,通過(guò)濺射的方法制備成薄膜形成溝道層,濺射本底真空度為1 X IO-3Pa,氬氣流量 50sccm,氧氣流量 ⑶!!!,氣壓為0. 5Pa,功率為IlOW ;溝道層厚度為20 lOOnm,通過(guò)掩?;蚬饪痰姆椒ǔ尚?。本發(fā)明摻雜氧化鋅半導(dǎo)體材料為在ZnO中同時(shí)摻入h、Sn以及Ni ;此摻雜氧化鋅半導(dǎo)體材料可以用公式NiaSn1JneSidO表示,其中,0. 01彡a彡0. 09、0. 01彡b彡0. 09、c = 0. 3、d = 0. 6且a+b+c+d = 1。摻入h可提高電子遷移率;摻入Sn可增加穩(wěn)定性;摻入Ni 可抑制過(guò)剩的本征載流子,降低關(guān)態(tài)電流,提高開(kāi)關(guān)比,而且上述摻雜在分別提高對(duì)氧化鋅半導(dǎo)體材料相關(guān)性能的同時(shí),并不構(gòu)成相互影響。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù),本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果(1)本發(fā)明在氧化鋅(SiO)中同時(shí)摻入銦an)、錫(Sn)以及鎳(Ni);該材料摻入 In后提高了電子遷移率;摻入Sn后增加了材料的穩(wěn)定性;摻入M后可抑制過(guò)剩的本征載流子,降低關(guān)態(tài)電流,提高開(kāi)關(guān)比,且上述上述三種材料相互配合作用,使得制備的氧化鋅半導(dǎo)體材料可以控制本征載流子的數(shù)量,降低關(guān)態(tài)電流,提高開(kāi)關(guān)比,且電子遷移率高、穩(wěn)定性好。(2)應(yīng)用本發(fā)明氧化鋅半導(dǎo)體材料制備的薄膜晶體管具有電子遷移率較高,穩(wěn)定性較好,開(kāi)關(guān)比較高等特點(diǎn)。(3)本發(fā)明氧化鋅半導(dǎo)體材料制備方法簡(jiǎn)單,溫度低,成本低。
圖IA是利用本發(fā)明所述的摻雜氧化鋅半導(dǎo)體材料作為溝道層的薄膜晶體管的截面示意圖;圖IB是利用本發(fā)明所述的摻雜氧化鋅半導(dǎo)體材料作為溝道層的薄膜晶體管的俯視圖。圖2是實(shí)施例1中的薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。圖3是實(shí)施例2中的薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。圖4是實(shí)施例3中的薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述,但需要說(shuō)明的是,實(shí)施例并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明要求保護(hù)的范圍的限定。本發(fā)明的摻雜氧化鋅半導(dǎo)體材料為在ZnO中同時(shí)摻入In、Sn以及Ni ;此摻雜氧化鋅半導(dǎo)體材料可以用公式NiaSnbInJndO表示,其中,0. 01彡a彡0. 09、0. 01彡b彡0. 09、 c = 0. 3、d = 0. 6 且 a+b+c+d = 1。這種材料的制備方法為將摩爾比為a b c d的Ni0、Sn0、In0和ZnO粉末研磨并混合均勻,再經(jīng)過(guò)成型、燒結(jié)、機(jī)械加工、打磨等工藝制成陶瓷靶材,粉末混合的均勻性應(yīng)大于99. 9%,燒結(jié)溫度為1100-1200攝氏度,優(yōu)選1150攝氏度。如圖IA和圖IB所述,本發(fā)明的薄膜晶體管包括玻璃基板10、柵極11、絕緣層12、 溝道層13、源極11 和漏極114b ;玻璃基板10為方形板,柵極11位于玻璃基板10中心上部,絕緣層12覆蓋在柵極11上端,并且在柵極11左右端和后端沿玻璃基板10延伸,柵極 11前端在和玻璃基板10上端伸出絕緣層12,可在絕緣層12上前端通過(guò)刻蝕露出一部分柵極11,以供引入電信號(hào)之用;溝道層13設(shè)置在絕緣層12中部上端,位于柵極11正上方,溝道層13左右兩端伸出柵極11 ;源極11 和漏極114b分別覆蓋在溝道層13的兩端并且相互間隔,柵極11上端源極IHa和漏極114b的間隔左右兩端的距離即為溝道長(zhǎng)度L,源漏電極的前后端的長(zhǎng)度即為溝道寬度W。所述的溝道層13的材料的成份為NiaSnbIn。Znd0,其中,0. 01彡a彡0. 09、 0. 01彡b彡0. 09、C = 0. 3、d = 0. 6且a+b+c+d = 1 ;所述的溝道層13的制備方法為將上述制備的masnijn。aido陶瓷靶材安裝在濺射儀上,通過(guò)濺射的方法制備成薄膜形成溝道層,濺射本底真空度為ι χ 10 ,氬氣流量50SCCm,氧氣流量kccm,氣壓為0. 5Pa,功率為 IlllOff ;厚度為20 lOOnm,通過(guò)掩模或光刻的方法成形。所述的柵極11的材料可以是Al、Mo、Cr、Cu、Ni、Ta、Au、Ag、Pt、Ti、ITO等導(dǎo)電材料;可用磁控濺射(濺射本底真空度為1 X 10 ,氬氣流量50SCCm,氣壓為0. 5Pa,功率為 200W),真空熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)等技術(shù)制備;厚度為100 500nm,通過(guò)掩?;蚬饪痰姆椒ǔ尚?。所述的絕緣層12的材料可以是金屬氧化物,如氧化鋁或氧化鉭等,也可以是二氧化硅、氮化硅或高分子絕緣材料等;可用電化學(xué)氧化、濺射、化學(xué)氣相沉積(PECVD)、印刷或旋涂的方法制備;厚度為100 lOOOnm,通過(guò)掩?;蚬饪痰姆椒ǔ尚巍K龅脑礃O14a和漏極14b的材料可以是Al、Mo、Cr、Cu、Ni、Ta、Au、Ag、Pt、Ti、 ITO等導(dǎo)電材料;可用磁控濺射(濺射本底真空度為1 X IO-3Pa,氬氣流量50SCCm,氣壓為 0. 5Pa,功率為200W),真空熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)等技術(shù)制備;厚度為100 500nm,通過(guò)掩?;蚬饪痰姆椒ǔ尚?。實(shí)施例1(1)靶材制備將摩爾比為1%: 9% 30% 60%的NiO、SnO、MO和SiO粉末混合均勻,再經(jīng)過(guò)成型、燒結(jié)、機(jī)械加工、打磨等工藝制成陶瓷靶材。(2)薄膜晶體管的制備本實(shí)施例利用上述制備的NiacilSnatl9Ina3Zna6O材料作為溝道層,制備了薄膜晶體管(其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示)。其中,玻璃基板10的材料為無(wú)堿玻璃,厚度為0. 4mm ; 柵極11的材料為Al,通過(guò)濺射的方法制備,厚度為300nm;絕緣層12為通過(guò)電化學(xué)氧化的Al2O3,厚度為140nm;溝道層13通過(guò)濺射的方法制備,濺射所用的靶材為上述制備的 Nia(11S%(19I%3Z%60靶材,濺射的本底真空度為10_3Pa,濺射壓強(qiáng)為0. 3Pa,功率為110W,所制備的膜的厚度為30nm ;源極1 和漏極14b的材料為ΙΤ0,通過(guò)濺射的方法制備,厚度為 250nm,溝道的寬度和長(zhǎng)度分別為ΙΟΟμπι和ΙΟμπι,寬長(zhǎng)比為10 1。所制備的晶體管器件性能在空氣中測(cè)試。圖2是實(shí)施例1的薄膜晶體管測(cè)得的轉(zhuǎn)移特性曲線,即漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系。曲線的測(cè)試條件為源極電壓(Vs)為0V, 漏極電壓(Vd)恒定為5V,柵極電壓(Ve)從-IOV到IOV再?gòu)腎OV到-IOV來(lái)回掃描,測(cè)試漏極電流(Id)。計(jì)算得到薄膜晶體管的載流子遷移率為10. Icm2V-1 s—1,但器件的關(guān)態(tài)電流(I。ff) 較大GXI(TkiA),開(kāi)關(guān)比(I。n/。ff)為106。從圖2中可以看出正向和反向掃描的曲線的磁滯回線較小,這說(shuō)明器件的穩(wěn)定性較IZO或IGZO的好。實(shí)施例2(1)靶材制備將摩爾比為9% 1% 30% 60%的NiO、SnO、InO和ZnO粉末混合均勻,再經(jīng)過(guò)成型、燒結(jié)、機(jī)械加工、打磨等工藝制成陶瓷靶材。(2)薄膜晶體管的制備本實(shí)施例利用上述制備的Niaci9SnatllIna3Zna6O材料作為溝道層,制備了薄膜晶體管(其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示)。其中,玻璃基板10的材料為無(wú)堿玻璃,厚度為0.4mm; 柵極11的材料為Al,通過(guò)濺射的方法制備,厚度為300nm;絕緣層12為通過(guò)電化學(xué)氧化的Al2O3,厚度為140nm;溝道層13通過(guò)濺射的方法制備,濺射所用的靶材為上述制備的 Nia(19S%(11I%3Z%60靶材,濺射的本底真空度為10_3Pa,濺射壓強(qiáng)為0. 3Pa,功率為110W,所制備的膜的厚度為30nm ;源極1 和漏極14b的材料為ΙΤ0,通過(guò)濺射的方法制備,厚度為 250nm,溝道的寬度和長(zhǎng)度分別為ΙΟΟμπι和ΙΟμπι,寬長(zhǎng)比為10 1。所制備的晶體管器件性能在空氣中測(cè)試。圖3是實(shí)施例2的薄膜晶體管測(cè)得的轉(zhuǎn)移特性曲線,即漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系。曲線的測(cè)試條件為源極電壓(Vs)為0V, 漏極電壓(Vd)恒定為5V,柵極電壓(Ve)從-10V到10V再?gòu)?0V到-10V來(lái)回掃描,測(cè)試漏極電流(Id)。計(jì)算得到薄膜晶體管的載流子遷移率為6. Icm2V-1S-1,器件的關(guān)態(tài)電流(I。ff) 只有(3X I(T12A),開(kāi)關(guān)比(Ion7off)高達(dá) 3X107。實(shí)施例3(1)靶材制備將摩爾比為5%: 5% 30% 60%的NiO、SnO、和SiO粉末混合均勻,再經(jīng)過(guò)成型、燒結(jié)、機(jī)械加工、打磨等工藝制成陶瓷靶材。(2)薄膜晶體管的制備本實(shí)施例利用上述制備的Niaci5Snatl5Ina3Zna6O材料作為溝道層,制備了薄膜晶體管(其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示)。其中,玻璃基板10的材料為無(wú)堿玻璃,厚度為0.4mm; 柵極11的材料為Al,通過(guò)濺射的方法制備,厚度為300nm;絕緣層12為通過(guò)電化學(xué)氧化的Al2O3,厚度為140nm;溝道層13通過(guò)濺射的方法制備,濺射所用的靶材為上述制備的 Nia(15S%(15I%3Z%60靶材,濺射的本底真空度為10_3Pa,濺射壓強(qiáng)為0. 3Pa,功率為110W,所制備的膜的厚度為30nm;源極1 和漏極14b的材料為ΙΤ0,通過(guò)濺射的方法制備,厚度為 250nm,溝道的寬度和長(zhǎng)度分別為ΙΟΟμπι和ΙΟμπι,寬長(zhǎng)比為10 1。所制備的晶體管器件性能在空氣中測(cè)試。圖4是實(shí)施例3的薄膜晶體管測(cè)得的轉(zhuǎn)移特性曲線,即漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系。曲線的測(cè)試條件為源極電壓(Vs)為0V, 漏極電壓(Vd)恒定為5V,柵極電壓(Ve)從-IOV到IOV再?gòu)腎OV到-IOV來(lái)回掃描,測(cè)試漏極電流(Id)。計(jì)算得到薄膜晶體管的載流子遷移率為7. Zcm2V-1S-1,器件的關(guān)態(tài)電流(I。ff) 只有(3X I(T12A),開(kāi)關(guān)比(I。n/。ff)高達(dá)3X107。從圖2中可以看出正向和反向掃描的曲線的磁滯回線較小,這說(shuō)明器件的穩(wěn)定性較IZO或IGZO的好。綜上所述,摻入化后的電子遷移率均比純ZnO高;摻入Sn后穩(wěn)定性增強(qiáng);摻入Ni 的目的是抑制過(guò)剩的本征載流子,降低關(guān)態(tài)電流,提高開(kāi)關(guān)比。
權(quán)利要求
1.一種摻雜氧化鋅半導(dǎo)體材料,其特征在于在ZnO材料中同時(shí)摻入In、Sn以及Ni ; 其成份為 NiaSnbIncZndO,其中,0. 01 ≤ a ≤ 0. 09,0. 01 ≤ b ≤ 0. 09、c = 0. 3、d = 0. 6 且 a+b+c+d = 1 ο
2.權(quán)利要求1所述摻雜氧化鋅半導(dǎo)體材料的制備方法,其特征在于將摩爾比為 a b c d的Ni0、Sn0、In0和ZnO粉末研磨并混合均勻,再經(jīng)過(guò)成型、燒結(jié)、機(jī)械加工、 打磨工藝制成摻雜氧化鋅半導(dǎo)體材料的陶瓷靶材,所述燒結(jié)的溫度為1100-1200攝氏度; 其中,0. 01 ≤ a ≤ 0. 09,0. 01 ≤ b ≤ 0. 09、C = 0. 3、d = 0. 6 且 a+b+c+d = 1。
3.應(yīng)用權(quán)利要求1所述摻雜氧化鋅半導(dǎo)體材料制備的薄膜晶體管,其特征在于薄膜晶體管包括玻璃基板、柵極、絕緣層、溝道層、源極和漏極;玻璃基板為方形板,柵極位于玻璃基板中心上部,絕緣層覆蓋在柵極上端,并且在柵極左右端和后端沿玻璃基板延伸,柵極前端在玻璃基板上端伸出絕緣層,以供引入電信號(hào)之用;溝道層設(shè)置在絕緣層中部上端,位于柵極正上方,溝道層左右兩端伸出柵極;源極和漏極分別覆蓋在溝道層的兩端并且相互間隔;所述的溝道層材料的成份為=NiaSn1JncZndO,其中,0.01 ^ a ^ 0. 09、 0. 01 ≤ b ≤ 0. 09、c = 0. 3、d = 0. 6 且 a+b+c+d = 1。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的薄膜晶體管,其特征在于所述的溝道層的制備方法為將溝道層材料masnijn。aido作為陶瓷靶材安裝在濺射儀上,通過(guò)濺射的方法制備成薄膜形成溝道層,通過(guò)掩?;蚬饪痰姆椒ǔ尚?。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的薄膜晶體管,其特征在于所述柵極的材料為導(dǎo)電材料Al、 Mo、Cr、Cu、Ni、Ta、AU、Ag、Pt、Ti或ITO ;用磁控濺射真空熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)制備,通過(guò)掩模或光刻的方法成形。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的薄膜晶體管,其特征在于所述的絕緣層材料為氧化鋁、氧化鉭等、二氧化硅或氮化硅;絕緣層用電化學(xué)氧化、濺射、化學(xué)氣相沉積、印刷或旋涂的方法制備;通過(guò)掩模或光刻的方法成形。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的薄膜晶體管,其特征在于所述的源極和漏極材料為導(dǎo)電材料Al、Mo、Cr、Cu、Ni、Ta、Au、Ag、Pt、Ti或ITO ;源極和漏極用磁控濺射,真空熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)等技術(shù)制備,通過(guò)掩?;蚬饪痰姆椒ǔ尚?。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了摻雜氧化鋅半導(dǎo)體材料及其制備方法與應(yīng)用。摻雜氧化鋅半導(dǎo)體材料是在ZnO材料中同時(shí)摻入In、Sn以及Ni;其成份為NiaSnbIncZndO,其中,0.01≤a≤0.09、0.01≤b≤0.09、c=0.3、d=0.6且a+b+c+d=1。應(yīng)用摻雜氧化鋅半導(dǎo)體材料制備的薄膜晶體管包括玻璃基板、柵極、絕緣層、溝道層、源極和漏極;柵極位于玻璃基板中心上部,絕緣層覆蓋在柵極上端,溝道層設(shè)置在絕緣層中部上端,位于柵極正上方,溝道層左右兩端伸出柵極;源極和漏極分別覆蓋在溝道層的兩端并且相互間隔;溝道層材料為摻雜氧化鋅半導(dǎo)體材料。該薄膜晶體管具有載流子遷移率高、穩(wěn)定性好以及開(kāi)關(guān)比高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C23C14/08GK102296270SQ20111025219
公開(kāi)日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月30日
發(fā)明者蘭林鋒, 彭俊彪, 徐苗, 曹鏞, 王磊, 許偉 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué), 廣州新視界光電科技有限公司