工况NBTS稳定性良好的氧化物半导体薄膜及其晶体管制造技术

一种氧化物半导体薄膜及以其作为沟道材料的薄膜晶体管。氧化物半导体薄膜成分为M2xSc2yIn2‑2y‑2xO3‑δ，且成分中不包括Zn和Sn，其中M为Mg、Ca、Sr和Cd中的一种或任意两种以上组合的元素，0.01≤x≤0.5，0.001≤y≤0.3，0≤δ

【技术实现步骤摘要】
工况NBTS稳定性良好的氧化物半导体薄膜及其晶体管
本专利技术属于半导体材料与器件及显示领域，特别涉及一种用于实现工况NBTS稳定性良好的氧化物半导体薄膜及以该氧化物半导体薄膜作为沟道层的薄膜晶体管。
技术介绍
近年来，在平板显示尤其是在有机电致发光显示(OLED)领域，基于氧化物半导体的薄膜晶体管(TFT，ThinFilmTransistor)越来越受到重视。目前用于平板显示的薄膜晶体管的半导体沟道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。然而非晶硅薄膜晶体管存在对光敏感、迁移率低(<1cm2/Vs)且稳定性差等缺点；多晶硅薄膜晶体管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。氧化物半导体具有载流子迁移率较高(1～100cm2/Vs)、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薄膜晶体管的趋势。现有技术中，大部分氧化物半导体材料都是以ZnO为基体，进一步掺入In、Ga、Al或Sn等元素。此类氧化物半导体材料的薄膜晶体管存在关断难的缺陷，即在栅极电压为零时仍然存在较大的源漏电流，器件处于常开状态，导致器件品质不够高。专利文件1(ZL201310276865.6)公开了一种氧化物半导体薄膜(Sc2xIn2-2xO3-δ,0.001≤x≤0.3，0≤δ＜3)，具有关断性能良好、制备工艺简单、退火温度较低等优点；但是，利用该薄膜制备的薄膜晶体管，在负栅压温度(NBTS)应力下的稳定性不足。由于显示屏在工作时不可避免的会发热，工作状态下温度上升，简称工况温度上升，通常工况温度在60℃左右，所以薄膜晶体管在工况温度下的负栅压温度应力(NBTS)稳定性至关重要。大多氧化物薄膜晶体管在室温下的稳定性较好，但当温度升高至60℃时，NBTS稳定性会迅速恶化，表现为阈值电压大幅漂移；会造成显示的不稳定。因此，针对现有技术不足，提供一种用于实现工况NBTS稳定性良好的氧化物半导体薄膜及以该氧化物半导体薄膜作为沟道层的薄膜晶体管克服现有技术不足甚为必要。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术不足，提供一种氧化物半导体薄膜及以该氧化物半导体薄膜作为沟道材料的薄膜晶体管。该氧化物半导体薄膜可作为氧化物晶体管的沟道层材料，具有NBTS稳定性好、制备工艺简单、适用性强的特点。本专利技术的上述目的通过如下技术手段实现：提供一种氧化物半导体薄膜，用于作为薄膜晶体管的沟道层，成分为M2xSc2yIn2-2y-2xO3-δ，且成分中不包括Zn和Sn，其中M为Mg、Ca、Sr和Cd中的一种或任意两种以上组合的元素，0.01≤x≤0.5，0.001≤y≤0.3，0≤δ<3，载流子浓度小于4×1019cm-3。优选的，0.01≤x≤0.3，0.01≤y≤0.2。另一优选的，x＝0.05。另一优选的，y＝0.05。优选的，上述M为Mg、Ca和Sr中的一种或任意两种以上组合的元素。更优选的上述M为Ca，Ca具有成本低的优势。另一优选的，上述M为Cd；Cd2+的电子有效质量很低，比Zn低很多；因此M采用Cd具有迁移率高的优势。优选的，上述薄膜采用真空法制备，包括但不仅限于溅射、脉冲激光沉积、原子层沉积以及化学气相沉积等。另一优选的，上述薄膜采用溶液法制备，包括但不仅限于旋涂、喷墨打印、丝网印刷、刮涂以及压印等。进一步的，上述溶液法可以采用前驱体分解法、溶胶-凝胶法或燃烧法等；更优选的，上述溶液法采用分散法，具有温度低的优势，兼容普通柔性衬底。相比于真空制备，溶液法制备具有成本低的优点。本专利技术同时提供氧化物半导体薄膜作为薄膜晶体管沟道层材料的用途。本专利技术还提供一种薄膜晶体管，设置有栅极、沟道层、位于栅极和沟道层之间的绝缘层、分别连接在沟道层两端的源极和漏极；所述沟道层设置为上述的氧化物半导体薄膜。上述薄膜晶体管在工况温度(以60摄氏度作为检测条件)和-20V栅压应力下的阈值电压漂移量的绝对值小于每小时1V；更优选的，上述薄膜晶体管在60摄氏度和-20V栅压应力下的阈值电压漂移量的绝对值小于每小时0.5V。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：传统的ZnO基的氧化物半导体的价带顶附近主要由Zn3d轨道贡献，在温度升高的时候容易与形成氧空位并释放电子；In2O3基的氧化物半导体在价带上面含有大量的氧空位能态，这些氧空位会在温度升高及负栅压应力下释放电子形成带正电荷的氧空位缺陷。而Mg、Ca和Sr的氧化物价带顶附近主要由p轨道贡献，离子相对较为稳定，不容易形成氧空位，温度升高及加负偏压时也难以释放电子，因此在NBTS下，阈值电压漂移量小。CdO价带顶附近虽然主要由Cd4d轨道贡献，但Cd4d和In4d轨道耦合好，几乎不会造成额外缺陷，此外，CdO比In2O3更不容易形成氧空位，因此不但NBTS好，迁移率也高。本专利技术的氧化物半导体薄膜可作为氧化物晶体管的沟道层材料，具有NBTS稳定性好、制备工艺简单、适用性强的特点。以本专利技术的氧化物半导体薄膜作为沟道材料的薄膜晶体管在60摄氏度和-20V栅压应力下的阈值电压漂移量的绝对值小于每小时1V，NBTS稳定性好。附图说明图1是本专利技术实施例3制备出的薄膜晶体管的结构示意图。图2是本专利技术实施例5制备出的薄膜晶体管的NBTS转移特性曲线。图3是本专利技术实施例6制备出的薄膜晶体管的NBTS转移特性曲线。具体实施方式结合附图和具体实例对本专利技术做进一步的说明，但本专利技术要求保护的范围并不局限于实施例保护的范围。实施例1。一种氧化物半导体薄膜，用于作为薄膜晶体管的沟道层，成分为M2xSc2yIn2-2y-2xO3-δ，且成分中不包括Zn和Sn，其中M为Mg、Ca、Sr、和Cd中的一种或任意两种以上组合的元素，0.01≤x≤0.5，0.001≤y≤0.3，0≤δ<3，载流子浓度小于4×1019cm-3。氧化物半导体薄膜的成分包括M，Sc和In，且成分中不包含Zn和Sn，是以In2O3为基体材料制备而成的半导体薄膜，基体材料是指化合物中占主要成分的材料。In原子的半径比Zn原子的半径大，其5s轨道可重叠，具有较高的电子迁移率，同时In原子还有一个重要性能就是即便在非晶状态也能形成电子通道。因此In2O3的电学特性对其结晶的程度相对不敏感，故可以提高电学性能的均匀性。已公开的以In2O3为基体材料的半导体薄膜(Sc2xIn2-2xO3-δ,0.001≤x≤0.3，0≤δ＜3)具有关断性能良好、制备工艺简单、退火温度较低等优点；但是，利用该薄膜制备的薄膜晶体管，在负栅压温度(NBTS)应力下的稳定性不足。由于显示屏在工作时不可避免的会发热，造成温度上升(简称工况温度，约为60℃，通常性能检测以60℃作为检测条件)，所以薄膜晶体管在60℃条件下的负栅压温度应力(NBTS)稳定性至关重要。传统的ZnO基的氧化物半导体的价带顶附近主要由Zn3d轨道贡献，在温度升高的时候容易与形成氧空位并释放电子；In2O3基的氧化物半导体在价带上面含有大量的氧空位能态，这些氧空位会在温度升高及负栅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧化物半导体薄膜，其特征在于：用于作为薄膜晶体管的沟道层，成分为M2xSc2yIn2‑2y‑2xO3‑δ，且成分中不包括Zn和Sn，其中M为Mg、Ca、Sr和Cd中的一种或任意两种以上组合的元素，0.01≤x≤0.5，0.001≤y≤0.3，0≤δ

【技术特征摘要】
1.一种氧化物半导体薄膜，其特征在于：用于作为薄膜晶体管的沟道层，成分为M2xSc2yIn2-2y-2xO3-δ，且成分中不包括Zn和Sn，其中M为Mg、Ca、Sr和Cd中的一种或任意两种以上组合的元素，0.01≤x≤0.5，0.001≤y≤0.3，0≤δ<3，载流子浓度小于4×1019cm-3。2.根据权利要求1所述的氧化物半导体薄膜，其特征在于：0.01≤x≤0.3，0.01≤y≤0.2。3.根据权利要求2所述的氧化物半导体薄膜，其特征在于：x＝0.05。4.根据权利要求2所述的氧化物半导体薄膜，其特征在于：y＝0.05。5.根据权利要求1至4任意一项所述的氧化物半导体薄膜，其特征在于：所述M为Mg、Ca...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰林锋，彭俊彪，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44