[发明专利]氧化物半导体薄膜及一种薄膜晶体管

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料与器件领域，特别涉及一种氧化物半导体薄膜及以该氧化物半导体薄膜作为沟道层材料的薄膜晶体管。

背景技术

近年来，在平板显示尤其是在有机电致发光显示（OLED）领域，基于氧化物半导体的薄膜晶体管（TFT，ThinFilmTransistor）越来越受到重视。

目前用于平板显示的薄膜晶体管的半导体沟道层的材料主要是硅材料，包括非晶硅（a-Si：H）、多晶硅、微晶硅等。然而非晶硅薄膜晶体管存在对光敏感、迁移率低（<1cm²/Vs）且稳定性差等缺点；多晶硅薄膜晶体管虽然具有较高的迁移率，但是由于晶界的影响导致其电学均匀性差，此外,由于多晶硅制备温度高、成本高、难以大面积晶化，限制了其在平板显示中的应用；而微晶硅存在制备难度大、晶粒控制技术难度高，不容易实现大面积规模量产的缺陷。

氧化物半导体具有载流子迁移率较高（1～100cm²/Vs）、对可见光透明等优点，在平板显示的TFT基板领域，有替代用传统硅工艺制备的薄膜晶体管的趋势。

现有技术中，大部分氧化物半导体材料都是以ZnO为基体，进一步掺入In、Ga、Al或Sn等元素。此类氧化物半导体材料的薄膜晶体管存在关断难的缺陷，即在栅极电压为零时仍然存在较大的源漏电流，器件处于常开状态，导致器件品质不够高。

另外，此类半导体材料对空气中的水氧非常敏感，无钝化层的器件的正扫和回扫的转移特性曲线之间的磁滞效应明显。对于覆盖有钝化层（尤其是聚合物、光刻胶等绝缘材料）的器件，由于外界的氧无法进一步吸附于氧化物半导体上，造成氧化物半导体表面的氧空位增多，器件容易出现高导状态，即氧化物半导体呈现导体特征。这就使得基于这类氧化物半导体材料的薄膜晶体管通常只能使用SiO₂作为钝化层或刻蚀阻挡层，而无法使用可以直接显影图形化的聚合物或光刻胶等绝缘材料做钝化层，增加了工艺成本；同时由于SiO₂的柔韧性较差，较难用于柔性衬底中。

除此之外，上述的以ZnO为基体的氧化物半导体材料通常需要300℃以上的后退火温度，且通常只能在空气或氧气气氛下退火，因为外界的氧通常要在300℃左右才能与氧空位中的阳离子反应而有效地填充氧空位。如果在氮气或者惰性气体中退火，会因为无法获得氧而造成高导现象。300℃的退火温度对于玻璃衬底来说已经较低了，但是对于柔性衬底来说，它已经超过了大部分柔性衬底材料所能承受的最高温度了。

因此，针对现有技术不足，提供一种关断性能良好、制备工艺简单、能够适用于柔性衬底材料的氧化物半导体薄膜及具有其的薄膜晶体管以克服现有技术不足甚为必要。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提供一种氧化物半导体薄膜，该氧化物半导体薄膜可作为氧化物晶体管的沟道层材料，具有稳定性好、制备工艺简单、适用性强的特点。

本发明的上述目的通过如下技术手段实现：

提供一种氧化物半导体薄膜，成分为M_2xIn_2-2xO_3-δ且成分中不包括Zn和Sn，其中M为元素周期表中的ⅢB族元素，0.001≤x≤0.3，0≤δ＜3。

上述ⅢB族元素为Sc、Y、Ac、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、或Lu中的一种或任意两种以上的元素。

优选的，上述ⅢB族元素为Nd。

另一优选的，上述ⅢB族元素为Sc。

上述薄膜的厚度为5nm至200nm。

该氧化物半导体薄膜的载流子浓度小于5×10¹⁹cm^-3。

该氧化物半导体薄膜可采用多靶共溅射的方法制备，或者采用单靶溅射的方法制备。

本发明同时提供氧化物半导体薄膜，用于作为薄膜晶体管的沟道层的应用。

本发明还同时提供一种薄膜晶体管，设置有栅极、沟道层、位于栅极和沟道层之间的绝缘层、分别连接在沟道层两端的源极和漏极；所述沟道层设置为上述权利要求中任意一项所述的氧化物半导体薄膜。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

（1）本发明的氧化物半导体薄膜材料，具有较高的电子迁移率；同时又能通过调节稀土元素的含量调节载流子浓度，从而调控基于本发明的氧化物半导体薄膜材料的薄膜晶体管的阈值电压。