用于氧化物薄膜晶體管的半導體層材料銦鋅鈦氧化物制造技術

本發明專利技術屬于薄膜晶體管器件技術領域，具體為一種用于氧化物薄膜晶體管的半導體層材料。該半導體層材料為銦鋅鈦氧化物。其中銦、鋅和鈦的成分比例控制在一定范圍內的。本發明專利技術還提供以這種氧化物作為溝道層材料的薄膜晶體管。本發明專利技術獲得的薄膜晶體管在平板顯示領域具有良好的應用前景。

Semiconductor layer material for an oxide thin film transistor; indium zinc titanium oxide

The invention belongs to the technical field of thin film transistor devices, in particular to a semiconductor layer material used for an oxide thin-film transistor. The material of the semiconductor layer is indium, zinc and titanium oxide. The proportion of indium, zinc and titanium is controlled within a certain range. The invention also provides a thin film transistor using the oxide as a channel layer material. The thin film transistor obtained by the invention has good application prospect in the flat panel display field.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于薄膜晶體管
，具體涉及一種可以用于薄膜晶體管半導體層的氧化物材料。
技術介紹
薄膜晶體管(Thin Film Transistor, TFT)是半導體層為薄膜結構的場效應晶體管的統稱。TFT作為輔助元件被應用于各種顯示或傳感設備，尤其是在液晶顯示器(Liquid Crystal Displays, IXD)中的應用，為IXD達到更高的圖像質量和大面積化提供了技術基礎。對于新型顯示器如有機電致發光顯示器(Organic Light Emitting Displays, OLED) 和電子紙等，采用TFT技術也可以有效的改進性能。目前，在IXD應用最為廣泛的是非晶硅(α -Si)TFT。這類TFT以α -Si薄膜作為半導體層，可以采用傳統薄膜沉積工藝在大面積玻璃基板上制備，因而成本低廉，但其場致遷移率一般小于1 cm2/V*S，而且在電壓壓力作用下器件的穩定性較差，通常只能用作開關元件。以多晶硅(poly-Si)為半導體層的poly-Si TFT具有比α-Si TFT高1-2個數量級的場致遷移率，在器件穩定性上也更為優越，不但可以用作開關元件，還可以作為驅動元件形成輔助驅動電路，但是制備工藝復雜，成本較高且很難應用于大面積基板。氧化物TFT是以基于In、Zn、Ga、Sn等金屬元素的氧化物作為半導體層的。這類 TFT—方面可以采用傳統薄膜沉積工藝制備，適用于大面積玻璃基板，另一方面場致遷移率較高，在10 cm2/V*S左右，已有研究表明其穩定性也要優于α-Si TFT，因而被視為一種非常有發展前景的TFT器件。除去上述優勢外，氧化物TFT的制備工藝溫度也比較低，能夠直接在柔軟的塑料基板上制備，因而有可能應用于未來的柔性顯示面板中。氧化物TFT —般為N型器件，很難像poly-Si TFT那樣用于制作互補電路，但是這個問題很大程度上可以通過電路設計來克服。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種制備工藝簡單、成本較高低且能應用于大面積基板的氧化物薄膜晶體管半導體層材料。本專利技術另一目的是提供一種以這種材料作為溝道層的薄膜晶體管。本專利技術提供的氧化物半導體材料，為一種銦鋅鈦氧化物，即摻有Ti的In、Zn氧化物，這種材料中的Ti、In、Si分別直接與氧結合，材料呈現為非晶態或者多晶態。Ti原子的電負性為1. 54 eV，低于h和Si原子的電負性，因而更容易和氧結合。 在In、Zn氧化物半導體中，載流子是通過氧缺位形成的，摻入Ti可以有效的減少材料中的氧缺位，降低半導體的載流子濃度。TFT是依靠調制器件半導體層的載流子濃度來工作的， 器件的閾值和載流子濃度直接相關，因此基于IruSi氧化物半導體的TFT中加入Ti可以使器件的閾值正向變化。摻入電負性較低的Ti還相當于在氧化物材料中引入了作用力更強的離子鍵，可以使半導體材料更為穩定。在這種摻有Ti的IruSi氧化物中，In相對于h、Zn、Ti總量的摩爾百分比含量在 5%到98%之間，Ti相對于In、Zn、Ti總量的摩爾百分比含量在0. 5%到5%之間，Zn的含量根據h、Ti的含量確定。在這種氧化物半導體中還可以含有I族、II族、III族、IV族、V族元素或者鑭系元素中之一種或幾種。這種材料可以通過物理氣相沉積(Physical Vapor D印osition)、化學氣相沉禾只(Chemical Vapor Deposition)、原子層沉禾只(Atomic Layer Deposition)或溶液方法等制備成薄膜。例如薄膜可以通過脈沖電子束蒸發摻Ti的In、Si氧化物陶瓷靶材沉積，或者通過磁控濺射摻Ti的In、Zn氧化物陶瓷靶材沉積，也可以通過對安置于同一腔體內的ln203、ZnO和TW2靶材進行多靶共濺射來沉積。本專利技術還將上述材料用于TFT中。這種TFT結構包括柵電極、源電極和漏電極， 用于隔離柵電極和源電極、漏電極的柵極絕緣層，以及用于連接源電極和漏電極的、由上述材料做成的半導體層。其中，柵、源和漏電極材料可以為但不限于鈦(Ti)、鉬(Pt)、釕(Ru)、 金(Au)、銀(Ag)、鉬(Mo)、鋁(Al)、鎢(W)、銅(Cu)或導電氧化物，如 IZO αη-Ζη-Ο)或 AZO (Α1-&1-0)，柵極絕緣層材料可以為但不限于氧化硅(Si02)、氮化硅(SiNx)、氧化鉿(Hf02)、 氧化鉭(Ta2O5)或這些材料的混合物，或有機材料及有機無機復合材料。 上述的TFT器件同樣具有一般氧化物TFT場致遷移率較高，制備工藝簡單的優勢， 并且改變Ti的摻入量可以在不改變TFT其他性能的情況下有效的調節TFT的閾值。因為氧化物TFT不能制作互補電路，一套制備雙閾值器件的工藝可以為TFT驅動電路的設計提供很大便利。除去調節閾值的作用外，TFT在電壓壓力下的穩定性也因摻Ti而改善。采用這種半導體材料的薄膜晶體管可以作為開關或驅動元件應用于各類顯示設備，例如液晶顯示器、有機電致放光顯示器、電子紙等。附圖說明圖1為Ti含量對In2Zn2O5薄膜載流子濃度的影響。圖2為半導體層為摻Ti的In、Zn氧化物的TFT結構圖。圖3為半導體層摻入2% Ti的In2Zn2O5 (a)和In2Zn4O7 (b) TFT器件的轉移特性曲線。圖中的箭頭表示測試時曲線掃描的方向。圖4為柵極偏壓壓力作用下摻21 Ti和不摻Ti的In2Zn4O7 TFT轉移特性隨時間變化的比較。對兩個器件分別在0 s、10 s,30 S、100 s,300 s、600 sUOOO s共7個時間點進行了測試。具體實施例方式以下將給出本專利技術涉及的摻有Ti的In、Zn氧化物及基于這種半導體材料的TFT 的實施例。圖1顯示了 Ti含量對In2Zn2O5薄膜載流子濃度的影響。其中摻Ti In2Zn2O5薄膜是采用不同摻Ti量的靶材在相同工藝條件下制備的，薄膜沉積時基底溫度為170 ° C。圖中Ti的摩爾百分比含量是指Ti相對于^uZruTi總量的摩爾百分比。在低Ti含量下，Ti 有可能作為施主，替位^或加給出1至2個電子使得載流子濃度增加。當Ti在薄膜中的含量增至后，其壓低載流子濃度的作用才開始顯現。為達到降低載流子濃度的目的，需要足夠高的Ti含量，具體數值需要根據工藝條件確定。圖2為本專利技術涉及的TFT器件結構圖，該例中，柵、源和漏電極材料為Al，柵極絕緣層材料為直流反應濺射的Ta2O5，半導體層為脈沖電子束蒸發得到的摻Ti的IruSi氧化物。 半導體層厚約50 nm，在室溫下沉積，膜層中In、Zn、Ti的含量按照蒸發所用陶瓷靶材中的含量計算。為了舉例說明，本專利技術的實施例僅給出了如圖2所示的底柵結構TFT，然而本領域的技術人員應當很容易將本專利技術應用于其他TFT結構，故不應以此為限。圖3為兩個半導體層摻入m Ti的In、Zn氧化物TFT器件的轉移特性曲線，測試時漏極偏壓為1 V，柵極電壓由負值掃向正值再回掃。兩個器件半導體層^uZruTi成分比分別為49 49 2和32. 3 :65. 7 :2。器件的開關比均為約105，正向與反向掃描曲線差異不大，說明器件的性能穩定。當半導體層成分為摻入洲Ti的^i2O3時，器件沒有表現出晶體管特性，因此半導體層h成分的上限為98%。表1是擁有不同^uZruTi含量本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種用于薄膜晶體管的半導體層氧化物材料，其特征在于為含有鋅、銦和鈦的氧化物材料；在所述氧化物材料中，Ｉｎ相對于Ｉｎ、Ｚｎ、Ｔｉ總量的摩爾百分比含量在５％到９８％之間，Ｔｉ相對于Ｉｎ、Ｚｎ、Ｔｉ總量的摩爾百分比含量在０．５％到５％之間。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：姚綺君，李曙新，張群，
申請(專利權)人：復旦大學，
類型：發明
國別省市：31