[发明专利]一种双极性薄膜晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种双极性薄膜晶体管。

背景技术

目前，已报道的氧化物半导体薄膜晶体管多数表现为单类型电荷传导，即电子传导(n型)或空穴传导(p型)，采用双极性器件可简化电路的设计和制备流程，从而大大减少相关器件、电路制造的复杂程度。在双极性薄膜晶体管中，空穴和电子必须从源漏电极有效注入沟道，并可以通过静电势极性（即栅电压的正负）的控制来分别操纵它们的输运。作为集成电路的基本单元，场效应迁移率、开关比和对称性是双极性薄膜晶体管的重要参数，而响应速度和可靠性是衡量电路的重要指标。一般场效应迁移率越高，器件响应速度越快；开关比越大，可靠性越好；对称性越佳，电路的设计和制造过程越简单。场效应迁移率、对称性和开关比与双极性薄膜晶体管的结构和各功能层（如栅介质层、沟道区、源极和漏极等）的材质有关。

现有技术的薄膜晶体管(TFT)的结构一般包括：衬底、栅介质层、沟道层、栅电极、源电极和漏电极，如图1所示。Kenji Nomura等通过脉冲激光沉积的方法（Ambipolar Oxide Thin-Film Transistor，Kenji Nomura，Toshio Kamiya，and Hideo Hosono，ADVANCED MATERIALS，2011，23，3431-3434），采用传统的底栅结构，在热氧化硅片(n⁺-Si)上，制备了以ITO为源漏电极的双极性氧化亚锡薄膜晶体管，得到p区和n区的迁移率分别为0.48cm²V^-1s^-1和1.1×10^-3cm²V^-1s^-1，p区和n区的开关比分别约为6000和10。虽然得到的p区的开关比较大，但n区的开关比很小，且场效应迁移率很低，对称性极差。此外，采用脉冲激光沉积也增加了制备成本。现有技术还报道了一种利用电子束蒸发镀膜设备，采用传统的底栅结构，在热氧化硅片(p⁺-Si)上，制备了以Ni/Au为源漏电极的双极性氧化亚锡薄膜晶体管，得到的p区和n区的迁移率分别为0.32cm²V^-1s^-1和1.02cm²V^-1s^-1(Ambipolar inverters using SnO thin-film transistors with balanced electron and hole mobilities，Ling Yan Liang，Hong Tao Cao，Xiao Bo Chen et al，APPLIED PHYSICS LETTERS 100,263502,2012)，p区和n区的开关比分别约为800和900。可以看出，其电子迁移率得到了明显提高，且其n区的开关比和晶体管的对称性也在一定程度上得到了提高，但其迁移率和开关比都还有提升的可能。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种具有对称性好、迁移率高和开关比大的双极性薄膜晶体管。

一种双极性薄膜晶体管，从下至上依次包括：衬底、栅电极层、栅介质层、沟道层，所述沟道层上设有源极和漏极，源极与沟道层的接触面和漏极与沟道层的接触面上分别设有透明的势垒层，所述势垒层材质的禁带宽度大于所述的沟道层材质的禁带宽度。

本发明在沟道层和源漏电极之间插入透明的势垒层的设计，且该势垒层的禁带宽度大于沟道层的禁带宽度，增大了源、漏电极和沟道层的接触势垒，使电子势垒高度(指金属和半导体接触的界面处，源漏电极的费米能级到半导体导带底的间距)减小、空穴势垒高度(指金属和半导体接触的界面处，源漏电极的费米能级到半导体价带顶的间距)增加，从而在同一栅压下，导致电子注入增加，空穴注入减少，n区导电性增强，使双极性薄膜晶体管的对称性增强、开关比增大；进一步，引入的势垒层能够改变源漏电极和沟道间的界面态缺陷，降低了载流子的散射作用，从而提高迁移率。

作为优选，所述沟道层材质为SnO。氧化亚锡(SnO)的价带顶具有锡5s轨道构成特点(各向同性、较浅的能级)，其导带底则主要由锡5p轨道构成且具有类自由电子传输的特点，因而SnO可同时作为空穴和电子传输的导体。此外，SnO除具有较宽的光学直接带隙(～2.7eV)而使其保持较高的透明性之外，还具有窄的理论间接带隙(～0.5eV)，从而使其相关器件具有双极性行为。