[发明专利]一种以氧化物半导体为沟道层的混合结构薄膜晶体管

说明书

技术领域

本发明属于薄膜晶体管技术领域，具体涉及一种以氧化物半导体为沟道层的混合结构薄膜晶体管结构。

背景技术

薄膜晶体管(Thin Film Transistor：TFT)是一种场效应晶体管(Field Effect Transistor：FET)，由半导体有源层即沟道层、介质层即绝缘层、栅电极、源电极和漏电极构成。场效应晶体管凭借其体积小、重量轻、寿命长、耗电省等优点广泛应用于各类电子电路中。二十世纪六十年代，基于低成本、大阵列显示的实际需求，TFT的研究广为兴起。1988年，当第一个14英寸的有源矩阵(Active-Matrix：AM)薄膜晶体管液晶显示器(Thin FilmTransistor Liquid Crystal Displays：TFT-LCD)出现时，人们意识到重量轻厚度薄的壁挂式电视将成为现实。随着非晶硅或低温多晶硅作为半导体沟道层，薄膜晶体管技术已经成为平板显示(FPD)的象征性技术，其特点是在对角线数米(m)长的基板上制备几千万个数微米(μm)大小的TFT阵列，形成“大型微电子”。

薄膜晶体管的主要结构特点是在栅电极和半导体沟道层之间存在栅绝缘层。按照栅电极的位置不同可以分为顶栅和底栅两种结构，按照源漏电极与绝缘层和沟道层的接触方式又可分为共面接触和错面接触，所谓共面接触就是指源漏电极平面与绝缘层在沟道层的同一侧，而错面接触就是指源漏电极平面与绝缘层分别在沟道层两侧。下面以顶栅结构为例来进行说明。

TFT-LCD中最为广泛使用的是以非晶硅(amorphous silicon：a-Si)作为半导体沟道层的非晶硅(a-Si)TFT，而以多晶硅(Polysilicon)为半导体沟道层的低温多晶硅薄膜晶体管(LTPS TFT)迁移率比非晶硅薄膜晶体管高2-3个数量级。相对于a-Si TFT而言，LTPS-TFT具有高清晰度、高开口率、快响应速度、高亮度和低功率消耗等优点，因而有可能成为一种继a-Si TFT之后的主流应用技术。但是LTPS-TFT技术存在设备昂贵、工艺难度大、均匀性差等缺点，而且其工艺温度相对有机基板而言太高，不适合应用于柔性显示屏。图1a所示为a-Si TFT和LTPS TFT薄膜晶体管器件的一般示例性结构，通常都采用硅半导体沟道层和无机介质层，其中，最常用的两种无机介质层是用PECVD技术制备的氮化硅或氧化硅。PECVD的优点在于允许衬底保持在较低温度(约300℃)下大面积生长薄膜，且沉积均匀性高，阶梯覆盖性能以及工艺重复性好，技术成熟，是目前使用最为广泛的技术。氮化硅和氧化硅薄膜除具有优良的电学性能外，氮化硅薄膜还具有较大的介电常数。但PECVD方法设备投资大、成本高，对气体的纯度要求高，且不易在柔性衬底上使用。

图1b所示为有机TFT薄膜晶体管器件的一般示例性结构，其通常选用有机半导体沟道层和无机或有机介质层。有机TFT薄膜晶体管因具有制备温度低，成本低和良好的柔韧性等优点，而得到了大量的研究，但目前有机TFT的载流子迁移率低，目前报道的OTFT的迁移率较低(一般在1cm²/V·s)，仍停留在非晶硅TFT的水平，还不能满足于应用的需求，另外一个致命缺点就是OTFT的寿命低，存在严重的老化问题。

金属氧化物半导体薄膜晶体管(MOS TFT)是以金属氧化物半导体作为沟道层，并且以无机介质层作为栅绝缘层。图1c所示例的为透明氧化物半导体薄膜晶体管(TOS-TFT)器件的结构，其选用氧化物半导体沟道层和无机介质层，但是主要的问题也在于介质层的工艺温度相对于有机衬底而言太高，不适用于柔性显示屏。

最新的研究表明，氧化铟基和氧化锌基宽禁带氧化物半导体薄膜具有迁移率高、可见光透明性好、表面平整和可以室温大面积制备等优良性能。目前，可利用氧化物半导体制作透明氧化物薄膜晶体管，实现了比非晶硅薄膜晶体管性能高出1-2个数量级的结果。因此如果在AMLCD或AMOLED中采用低温透明氧化物半导体TFT作为像素开关，将大大提高有源矩阵的开口率，从而提高亮度，降低功耗和减小工艺复杂性。这预示着氧化物TFT在平板显示和透明电子学等领域具有良好的应用前景。

因此，本发明的目的即在于通过提供一种新的混合型薄膜晶体管结构，突破现有薄膜晶体管结构在工艺和技术性能上的局限性，进一步拓展氧化物半导体晶体管技术的应用领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的混合型结构的透明氧化物半导体薄膜晶体管，具有传统氧化物半导体薄膜晶体管的优点，同时结合通常用于有机薄膜晶体管中的有机介质层作为氧化物半导体薄膜晶体管的介质层，从而获得更好的工艺性能和更广泛的应用领域。