一种用于薄膜晶体管的沟道层材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种n型非晶氧化物半导体沟道层与薄膜晶体管及其制备方法，n型非晶氧化物半导体沟道层为ZnGeSnO，各金属离子均具有(n‑1)d

【技术实现步骤摘要】
一种用于薄膜晶体管的沟道层材料及其制备方法与应用
本专利技术涉及一种非晶氧化物薄膜及其制备方法，尤其涉及一种n型非晶氧化物半导体沟道层与薄膜晶体管及其制备方法。
技术介绍
薄膜晶体管（TFT）是微电子特别是显示工程领域的核心技术之一。不论在目前先进显示市场中占绝对主导优势的有源矩阵液晶显示器（AMLCD），还是代表未来柔性显示趋势的AMOLED（有源矩阵有机发光二极管显示器），TFT器件均在其中的像素驱动单元中占据关键位置。此外，TFT器件还在生物传感、紫外探照等方面得到广泛研究与应用。因此，研制和发展TFT器件具有重要的意义。TFT最重要的组成部分是其沟道层材料，关于TFT的研究也集中在沟道层材料的研发和选择上。目前，工业生产中TFT的沟道层材料主要是非晶硅（a-Si）和低温多晶硅（LTPS），但是a-SiTFT迁移率较低（~2cm2/Vs），难以驱动大于90英寸的显示器，而基于多晶硅（p-Si）技术的TFT虽然迁移率高（~100cm2/Vs），但是器件均匀性较差，电学性能不稳定，而且制作成本高，这限制了它的应用。同时，Si是一种间接带隙窄禁带半导体，在可见光区域是不透明的，像素开口率不能达到100%，为了获得足够的亮度需要增加光源光强，从而增加功率。并且Si基半导体材料沟道层光敏性强，需要加掩膜版，也严重影响了开口率。这些缺点制约了Si基TFT的发展。此外，有机半导体薄膜晶体管（OTFT）也有较多的研究，但是OTFT的稳定性不高，迁移率也比较低（~1cm2/Vs），这对其实际应用是一个较大限制。为解决上述问题，人们近年来开始致力于非晶氧化物半导体（AOS）TFT的研究，其中最具代表性的是InGaZnO。一般的非晶材料由于传导过程为跳跃模式，迁移率不高，而InGaZnO中的In离子外电子壳层结构为4d105s0，s轨道电子云呈球形分布，并且半径足够大以至相互重叠，为半导体电子传输提供了通道，这使得该非晶氧化物半导体也具有较高的迁移率。与Si基TFT相比较，AOSTFT具有如下优点：可见光透明，光敏退化性小，不用加掩膜层，提高了开口率，可解决开口率低对高分辨率、超精细显示屏的限制；易于室温沉积，适用于有机柔性基板；迁移率较高，可实现高的开/关电流比，较快的器件响应速度，应用于高驱动电流和高速器件；特性不均较小，电流的时间变化也较小，可抑制面板的显示不均现象，适于大面积化用途。目前，研究最为广泛的AOS材料为InGaZnO，正在走向实际应用。然而，地壳中In的地质储量很少，价格非常昂贵，而且Ga也是一种贵重金属，这使InGaZnO材料价格居高不下，产品成本很高，限制了其广泛应用，也不利于可持续发展。所以探索一种无In无Ga的高性能AOSTFT沟道层十分必要。除了InGaZnO外，人们目前陆续开发了ZnAlSnO、ZnSiSnO等n型AOS材料，然而大多数无In无Ga的AOS材料性能依然不高，已对实际应用带来了影响和制约。因此，有必要研制一种新型的n型无In无Ga的非晶氧化物半导体材料，用作TFT的沟道层。
技术实现思路
本专利技术的目的是依据实际应用需求，提供一种新型的高性能的n型非晶氧化物半导体薄膜作为沟道层，并提供相应的制备方法。本专利技术所提供的一种N型非晶氧化物半导体薄膜为ZnGeSnO，材料中的Zn、Ge、Sn各金属元素，其金属离子均具有(n-1)d10ns0的电子结构和球形电子云形状，其中n≥4。具体的，上述N型非晶氧化物半导体薄膜ZnGeSnO，其化学式为ZnGexSnyO1+2x+2y，其中0<x<0.5，y>0。优选地，上述N型非晶氧化物半导体薄膜ZnGeSnO，化学式为ZnGexSnyO1+2x+2y，其中0.05≦x≦0.2，y=1。上述N型非晶氧化物半导体薄膜ZnGeSnO，具有非晶态结构，厚度为30~40nm，各成分分布均匀；薄膜为N型导电，电子浓度1012~1015cm-3；室温下禁带宽度3.4~3.9eV，可见光透过率高于82%。在我们前期申请的专利技术专利（公开号106711196A）中，我们提供了一种高性能的p型非晶ZnGeSnO薄膜，化学式为ZnGexSnyO1+2x+2y，其中0.5≦x≦1.5，y>0。在本专利技术专利中，我们提供了一种n型非晶ZnGeSnO薄膜，化学式为ZnGexSnyO1+2x+2y，其中0<x<0.5，y>0，在该组分含量范围内，所制得的非晶ZnGeSnO薄膜均为N型导电，可见x=0.5是一个关键的参数，是n型和p型导电的组分分界点。更进一步，所述的n型非晶ZnGeSnO薄膜，化学式为ZnGexSnyO1+2x+2y，其组分含量优选为0.05≦x≦0.2，y=1，在该优选的组分含量范围内，所制得的N型ZnGeSnO薄膜具有高性能和高稳定性。因而，对于非晶ZnGeSnO而言，不同的元素含量带来了本质性的变化，甚至是完全相反的效果。本专利技术还提供了n型非晶ZnGeSnO沟道层薄膜的制备方法，其步骤如下：1）将高纯ZnO粉末、高纯GeO2粉末和高纯SnO2粉末，按化学式ZnGexSnyO1+2x+2y计量比所需的组分含量称量，混合，研磨，900~1000℃烧结，制成ZnGeSnO陶瓷靶材；其中0<x<0.5，y>0；进一步优选地，0.05≦x≦0.2，y=1。2）将经清洗的衬底及ZnGeSnO靶材送入脉冲激光沉积反应腔室内；3）将反应腔室抽成高真空，真空度不低于1×10-3Pa，然后充入O2气，控制压强为0.01~20Pa；4）衬底温度设置为室温至400℃，将KrF准分子激光通过透镜聚光，经光学窗口照射到装置内的ZnGeSnO靶材上，靶层表面分子熔蒸后在衬底上沉积，生长一层非晶薄膜，自然冷却至室温后得到所需的n型非晶ZnGeSnO薄膜。进一步，上述步骤1）中所述的ZnO粉末、GeO2粉末和SnO2粉末的纯度均在99.9%以上。本专利技术用所述的n型非晶ZnGeSnO薄膜为沟道层，制备出薄膜晶体管，主要工艺参数如下：以n++-Si为衬底，并作为栅电极，100nmSiO2薄膜为栅极绝缘层，上述非晶ZnGeSnO薄膜为沟道层，ITO（锡掺杂氧化铟）薄膜为源极和漏极，厚度100nm，制得的TFT器件参数如下：开关电流比在107量级，场效应迁移率高于21cm2/Vs。值得指出的是，本专利技术专利所述的高性能的n型非晶ZnGeSnO薄膜，是在上述工艺技术参数下获得的，上述各工艺技术参数均是专利技术人经过创造性劳动获得的，需要精确调节和控制，超过上述工艺技术参数的范围，便无法获得预期的效果。本专利技术的有益效果在于：1）本专利技术所述的n型非晶ZnGeSnO薄膜，材料中的Zn、Ge、Sn各金属元素，其金属离子均具有(n-1)d10ns0的电子结构和球形电子云形状，其中n≥4，球形电子云半径足够大以至相互重叠，可为半导体电子传输提供更加有效的传输通道，这使得该非晶氧化物半导体具有优异的性能。2）本专利技术所述的n型非晶ZnGeSnO薄膜，完全不使用In、Ga等贵重金属，显著降低了器件成本。3）本专利技术所述的n型非晶ZnGeSnO薄膜，在可见光区域（波长400~80本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于薄膜晶体管的沟道层材料，其特征在于，所述沟道层材料为N型非晶氧化物半导体薄膜ZnGeSnO，其中的Zn、Ge、Sn各金属元素的金属离子均具有(n‑1)d10ns0的电子结构和球形电子云形状，且n≥4；所述N型非晶氧化物半导体薄膜ZnGeSnO的化学式为ZnGexSnyO1+2x+2y，其中0

【技术特征摘要】
1.一种用于薄膜晶体管的沟道层材料，其特征在于，所述沟道层材料为N型非晶氧化物半导体薄膜ZnGeSnO，其中的Zn、Ge、Sn各金属元素的金属离子均具有(n-1)d10ns0的电子结构和球形电子云形状，且n≥4；所述N型非晶氧化物半导体薄膜ZnGeSnO的化学式为ZnGexSnyO1+2x+2y，其中0<x<0.5，y>0。2.根据权利要求1所述的一种用于薄膜晶体管的沟道层材料，其特征在于，所述N型非晶氧化物半导体薄膜ZnGeSnO的化学式为ZnGexSnyO1+2x+2y，其中0.05≦x≦0.2，y=1。3.根据权利要求1所述的一种用于薄膜晶体管的沟道层材料，其特征在于，所述N型非晶氧化物半导体薄膜ZnGeSnO，具有非晶态结构，厚度为30~40nm；薄膜为N型导电，电子浓度1012~1015cm-3；室温下禁带宽度3.4~3.9eV，可见光透过率高于82%。4.制备权利要求1~3任一项所述的用于薄膜晶体管的沟道层材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：1）将ZnO粉末、GeO2粉末和SnO2粉末，按化学式ZnGexSnyO1+2x+2y计量比所需的组分含量称量，混合，研磨，900~1000℃烧结，制成ZnGeSnO陶瓷靶材；其中，0<...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕建国，岳士录，陆波静，叶志镇，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33