[发明专利]一种金属氧化物半导体及薄膜晶体管与应用

说明书

本发明公开了一种金属氧化物半导体，其为：在含铟的金属氧化物MO‑In₂O₃半导体中，分别掺入至少两种的稀土元素R的氧化物和稀土元素R’的氧化物，形成In_xM_yR_nR’_mO_z半导体材料。本发明通过在含铟的金属氧化物中引入稀土元素R和R’的氧化物，分别作为载流子控制，以及光稳定性增强的作用，通过利用稀土元素R的氧化物中极高的氧断键能，进而有效控制半导体内的载流子浓度，同时，利用稀土离子半径和氧化铟中的铟离子半径相当的特性，且稀土元素R’离子中4f轨道结构和铟离子的5s轨道能形成高效的电荷转换中心，以提高其电学稳定性，特别是光照下的稳定性。本发明还提供基于该金属氧化物半导体的薄膜晶体管与应用。

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及平板显示和探测器应用中的金属氧化物半导体薄膜晶体管背板制作所用的材料和器件结构，具体涉及金属氧化物半导体及薄膜晶体管与应用。

背景技术

对于现有的金属氧化物半导体体系中，铟离子(In³⁺)由于具有相对较大的离子半径，使得在多元金属氧化物中更高几率的轨道交叠而确保了其高效的载流子传输通道，其5s轨道是主要的电子输运通道。但是，一方面，由于铟与氧成键后In-O的断键能较低，所以在单纯的氧化铟(In₂O₃)薄膜中存在大量的氧空位缺陷。而氧空位是导致金属氧化物薄膜晶体管稳定性劣化的主要原因。另一方面，常规溅射成膜的氧化铟中存在较多的晶格失配，使得薄膜的载流子迁移率较低，限制了其在高性能薄膜晶体管中的应用。通常，需要掺杂与In³⁺离子数量相当的Ga³⁺离子对氧空位进行调控。同时，为了保证半导体器件的性能均匀性，需要金属氧化物半导体薄膜保持非晶薄膜结构。

由于ZnO的晶体结构与In₂O₃和Ga₂O₃两种材料的晶体结构差异较大，所以在薄膜中掺入与In离子数量相当Zn离子，可以抑制材料结晶，保持薄膜的非晶结构。因此，在目前的金属氧化物半导体材料中应用最为广泛的就是IGZO(In:Ga:Zn＝1:1:1mol)。

但是，IGZO亦存在一些问题：Ga³⁺和Zn²⁺离子的大量加入，大大稀释了In³⁺的浓度，进而减少了5s轨道的交叠程度，降低了电子迁移率。

另外，IGZO等材料在靠近价带处存在大量的陷阱态。这导致了即使在光照能量低于禁带宽度时，亦会产生光生载流子，导致当前的金属氧化物半导体存在光稳定性差的问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种迁移率相对较高、光稳定性强的金属氧化物半导体，其为一种新的共掺杂策略，利用稀土氧化物特殊的4f电子轨道特点，能在高In比的氧化物薄膜中，实现较高迁移率的同时，控制载流子浓度，并获得光稳定性强的金属氧化物半导体。

本发明的新的共掺杂策略是在含铟的金属氧化物中，同时引入两种作用不同的稀土元素R的氧化物材料和稀土元素R’的氧化物材料，其中，稀土元素R的氧化物为载流子浓度控制剂，稀土元素R’的氧化物为光稳定剂，即稀土元素R’的氧化物为电荷转换中心，其作用原理如下：