磷掺杂的氧化镓介电层、薄膜晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种磷掺杂的氧化镓介电层、薄膜晶体管及其制备方法，通过磷(P)掺杂利用水溶液法合成了具有优异介电性能的Ga2O3介电层。适当的P掺入可充当网络连接并减少Ga2O3中的氧相关缺陷(氧空位和羟基)，从而改善Ga2O3介电层的介电特性。使用具有最佳掺杂浓度的Ga

【技术实现步骤摘要】
磷掺杂的氧化镓介电层、薄膜晶体管及其制备方法


[0001]本专利技术涉及功率半导体技术以及半导体制造领域，尤其涉及一种磷掺杂的氧化镓介电层、薄膜晶体管及其制备方法。

技术介绍

[0002]氧化镓(Ga2O3)作为一种超宽带隙半导体被广泛用于新兴的光电子领域，由于其独特的材料特性和基底可用性，是下一代高功率电子和太阳盲紫外线光电探测器的备选材料。虽然Ga2O3作为超宽带隙半导体被研究得最多，但最近的研究发现，Ga2O3由于其高热稳定性、优异的防潮性和易于溶液法加工的特性而成为一种高端晶体管制备的有前途的高κ介电材料，因为它具有8MV/cm的大击穿电场，大约10的介电常数，以及良好的热/化学稳定性，特别是具有高的耐吸湿性。
[0003]值得注意的是，由于目前标准的微电子制造中包含了湿法工艺，所以抗吸湿性是高κ氧化物的一个主要关注点。一些高κ的氧化物，如La基氧化物，显示出相对较高的介电常数和较大的带隙，然而，它们的高吸湿性严重损害了电性能，阻碍了实际应用。以前的研究表明，在大多数高κ氧化物中可能会出现吸湿现象。本领域中，材料的吉布斯自由能变化(ΔG)被用来描述高κ氧化物的吸湿性，ΔG为正值的高κ氧化物能显著抑制吸湿。根据以前的理论计算，在高κ氧化物材料中，只有Sc2O3(ΔG＝38.2KJ mol
‑1)、Ga2O3(ΔG＝23.1KJ mol
‑1)和HfO2(ΔG＝20.5KJ mol
‑1)具有正的ΔG，表明其具有较强的抗吸湿性。事实上，Ga2O3已被广泛用作微电子领域的钝化材料。尽管暴露在水分和空气中是不可避免的，但Ga2O3的正ΔG也表明其可以进行溶液法处理。本专利技术前期工作确实表明，高质量的Ga2O3电介质薄膜可以通过简单的水溶液路线制成，从而实现潜在的低成本和大规模应用。
[0004]然而，溶液法处理的Ga2O3的介电性能，特别是泄漏电流和击穿强度需要进一步提高，而掺杂是提高Ga2O3介电性能的一种简单有效的方法，不过其相关进展相当缓慢。Oleksak等人表明，W掺杂可以改善Ga2O3的介电特性(漏电流和击穿强度)，但薄膜晶体管(TFT)的器件性能尚未得到证实。He et al等人证明，掺杂Al可以增强Ga2O3的泄漏电流，然而，所得的TFT显示出相对较差的开/关电流比(～104)。目前尚未有有效的元素掺杂，可以改善溶液法处理的Ga2O3的介电性能，同时使得其应用于薄膜晶体管(TFT)时也表现出更高的性能。
[0005]因此，现有技术还有待改进。

技术实现思路

[0006]鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种磷掺杂的氧化镓介电层、薄膜晶体管及其制备方法，通过磷(P)掺杂利用水溶液法合成了具有优异介电性能的Ga2O3介电层，旨在改善目前溶液法处理的Ga2O3的介电性能的同时，提高其应用于薄膜晶体管(TFT)的器件的性能。
[0007]本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种磷掺杂的氧化镓介电层，其中，包括氧化镓介电层，所述氧化镓介电层中掺杂有磷。
[0009]所述的磷掺杂的氧化镓介电层，其中，所述氧化镓介电层中磷的掺杂浓度为0
‑
40at％。
[0010]一种磷掺杂的氧化镓介电层的应用，其中，将如上任一所述的磷掺杂的氧化镓介电层应用于薄膜晶体管中。
[0011]一种薄膜晶体管的制备方法，其中，包括步骤：
[0012]将Ga(NO)3·
xH2O和H3PO4混合到水中，得到Ga
‑
P
‑
O溶液；
[0013]将In(NO)3·
xH2O溶解在水中，得到In2O3溶液；
[0014]提供衬底，并在衬底上形成栅极；
[0015]将所述Ga
‑
P
‑
O溶液在栅极上旋涂预定时间一，随后进行第一次退火处理，形成Ga
‑
P
‑
O介电层/栅极/衬底；
[0016]将所述In2O3溶液在所述Ga
‑
P
‑
O介电层/栅极/衬底的Ga
‑
P
‑
O介电层上旋涂预定时间二，随后进行第二次退火处理，形成In2O3通道层/Ga
‑
P
‑
O介电层/栅极/衬底；
[0017]在所述In2O3通道层/Ga
‑
P
‑
O介电层/栅极/衬底的In2O3通道层上沉积Al源极和漏极，制备得到所述薄膜晶体管。
[0018]所述的薄膜晶体管的制备方法，其中，所述Ga
‑
P
‑
O溶液中，P/(Ga+P)的原子百分比为0
‑
40at％。
[0019]所述的薄膜晶体管的制备方法，其中，所述栅极包括P
++
‑
Si晶圆。
[0020]所述的薄膜晶体管的制备方法，其中，在旋涂之前还包括步骤：将配制好的溶液通过0.2μm过滤注射器过滤。
[0021]所述的薄膜晶体管的制备方法，其中，所述预定时间一为20
‑
30s；所述预定时间二为20
‑
30s。
[0022]所述的薄膜晶体管的制备方法，其中，所述第一次退火处理的条件为350
‑
500℃退火1h；所述第二次退火处理的条件为300
‑
350℃退火1h。
[0023]一种薄膜晶体管，其中，采用如上任一所述的薄膜晶体管的制备方法制备得到。
[0024]有益效果：本专利技术提供了一种磷掺杂的氧化镓介电层、薄膜晶体管及其制备方法，通过磷(P)掺杂利用水溶液法合成了具有优异介电性能的Ga2O3介电层。适当的P掺入可充当网络连接(以PO
43
‑
的形式)并减少Ga2O3中的氧相关缺陷((氧空位(V
O
)和羟基(
‑
OH))，从而改善Ga2O3介电层的介电特性。使用具有掺杂P的Ga
‑
P
‑
O电介质，使得氧化物薄膜晶体管(TFT)表现出更高的性能，包括迁移率为20.49
±
0.32cm
2 V
‑1s
‑1，亚阈值摆幅为0.15
±
0.01V/dec，高的电流开/关比I
on
/I
off
>106，低工作电压和可忽略不计的滞后性，并且具有出色的偏置应力稳定性。系统分析表明，P的掺入大大减少了Ga2O3中与氧有关的缺陷(氧空位和羟基)，从而导致更好的介电性能和TFT器件性能。而且，Ga2O3介电层利用水溶液法合成，简单快速，十分方便，适合大规模生产，并为下一代低成本先进Ga2O3器件提供了一条新途径。
附图说明
[0025]图1为本专利技术实施例提供的Ga
‑
P
‑
O前驱体粉末的TGA本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磷掺杂的氧化镓介电层，其特征在于，包括氧化镓介电层，所述氧化镓介电层中掺杂有磷。2.根据权利要求1所述的磷掺杂的氧化镓介电层，其特征在于，所述氧化镓介电层中磷的掺杂浓度为0
‑
40at％。3.一种磷掺杂的氧化镓介电层的应用，其特征在于，将如权利要求1
‑
2任一所述的磷掺杂的氧化镓介电层应用于薄膜晶体管中。4.一种薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括步骤：将Ga(NO)3·
xH2O和H3PO4混合到水中，得到Ga
‑
P
‑
O溶液；将In(NO)3·
xH2O溶解在水中，得到In2O3溶液；提供衬底，并在衬底上形成栅极；将所述Ga
‑
P
‑
O溶液在栅极上旋涂预定时间一，随后进行第一次退火处理，形成Ga
‑
P
‑
O介电层/栅极/衬底；将所述In2O3溶液在所述Ga
‑
P
‑
O介电层/栅极/衬底的Ga
‑
P
‑
O介电层上旋涂预定时间二，随后进行第二次退火处理，形成In2O3通道层/Ga
‑
P
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：许望颖，彭涛，卓双木，林秋宝，黄伟城，
申请(专利权)人：集美大学，
类型：发明
国别省市：