[发明专利]一种氧化锌基薄膜晶体管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化锌基薄膜晶体管结构及其制造方法，属于半导体技术领域。 

背景技术

薄膜晶体管(Thin-film transistor，简称TFT)是一种重要的场效应晶体管，其主要的制作方式是在基板上沉积各种不同的薄膜，如半导体沟道层、栅介质层和金属电极层。薄膜晶体管是在衬底上沉积一层半导体薄膜作为导电沟道层。目前使用的TFT大部份是氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜晶体管，因为它的能带小于单晶硅(E_g＝1.12eV)，故基于氢化非晶硅材料的TFT大多是不透明的。非晶硅薄膜晶体管的特点是均匀性好，适用于大面积显示设备，但是其迁移率很低，一般小于1cm²/V.S，严重阻碍了薄膜晶体管性能的进一步提高。经过多年的研究和努力，多晶硅薄膜晶体管的迁移率有很大提高，但是多晶硅薄膜晶体管的制备温度高，大面积制备的均匀性差。此外，非晶硅薄膜晶体管和多晶硅薄膜晶体管都对光敏感，光照条件下器件性能会发生很大变化，因此，在平板显示中需要引入黑矩阵，这降低了显示器件的开口率、增加了制备工艺的复杂度和成本。 

为了进一步提高薄膜晶体管的性能，解决黑矩阵、开口率、亮度等问题，近年来国际半导体技术领域掀起了透明电子学的研究热潮。透明电子学是利用透明电子材料，研制电子器件、相关电路及其机理的一种半导体技术和科学。透明电子学最早是Thomas在1997年提出来的。透明电子材料一般是宽禁带材料，禁带宽度E_g大于3.1eV，在可见光范围内是透明的半导体材料。2003年Nomura等采用单晶InGaO₃(ZnO)₅作为导电沟道层、用高介电常数HfO₂作为栅介质绝缘层制作出了特性良好的薄膜晶体管，开关比大于10⁵、迁移率达到80cm²/V.S，当宽长比为200μm/50μm时，开态电流可高达毫安数量级，并且对光不敏感，但是加工温度很高，退火晶化温度达到1400℃。俄勒冈州立大学的John Wager等一批研究人员也对透明电子学进行了深入的研究，并取得了一些进展。目前对透明半导体材料研究较多的是氧化锌材料。氧化锌材料具有很多优点：易于制备，利用磁控溅射法、分子束外延(MBE)法、溶胶-凝胶(Sol-Gel)法、MOCVD法等方法都可以制备出性能良好的氧化锌材料；制备温度低，一般制备的温度可以控制在500℃以内，以便用于玻璃衬底上；透明度高，氧化锌是宽禁带材料，禁带宽度约为3.37eV，因此在可见光范围内是透明的；电学性能好，氧化锌材料的电学性能良好，载流子迁移率远高于非晶硅；无毒、环保材料，氧化锌材料是一种无毒无害的环保材料；而且锌材料在地球上资源丰富，材料价格低廉，可以有效地降低产品的制造成本。科学家们认为，透明电子学将发展成为一个效率更高、价格更便宜的新兴电子行业，它的应 用范围相当广泛，包括从平板显示器到太阳能电池、手机、柔性电子纸、有机发光显示等多方面领域，然而氧化锌基薄膜晶体管的稳定性以及性能尚需进一步提高。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种全氧化锌基的薄膜晶体管的结构和制造方法，有效地提高了器件各层薄膜之间的匹配度，从而大大提高器件的载流子迁移率，使氧化锌薄膜晶体管的性能得到了很大改善。 

本发明的技术方案如下： 

本发明提供了一种新的氧化锌基薄膜晶体管，如图1所示，包括衬底、栅电极、栅介质层、沟道层和源漏电极，衬底是玻璃或者塑料；在衬底上由氧化锌或掺杂Al或者Ga的氧化锌导电材料形成栅电极，该氧化锌导电材料的锌含量应大于氧含量(Zn_xO_1-x，0.95＞x＞0.75)；半导体沟道是由氧化锌及其掺杂半导体材料形成，所述氧化锌半导体材料的锌含量应大于氧含量(Zn_xO_1-x，0.75＞x＞0.55)；栅绝缘介质层是由氧化锌绝缘材料形成，该氧化锌绝缘材料的锌含量和氧含量相当(Zn_xO_1-x，0.55＞x＞0.45)，栅绝缘介质层设置于栅极和半导体沟道之间；源端和漏端电极是由氧化锌掺杂Al或者Ga的导电材料形成，通常氧化锌导电材料的锌含量应大于氧含量(Zn_xO_1-x，0.95＞x＞0.75)。 

上述氧化锌薄膜晶体管的制备方法，包括以下步骤：