專利名稱：雙肖特基結(jié)氧化鋅半導(dǎo)體薄膜晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
雙肖特基結(jié)氧化鋅半導(dǎo)體薄膜晶體管技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種雙肖特基結(jié)氧化鋅半導(dǎo)體薄膜晶體管。
背景技術(shù)：
目前國內(nèi)外研究的ZnO薄膜晶體管主要采用頂柵與底柵場效應(yīng)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的非晶硅TFT在大面積排布時表現(xiàn)出良好的電特性，但是它們在正偏壓工作條件下并不穩(wěn)定。此夕卜，在驅(qū)動OLED顯示時，由于電荷誘導(dǎo)效應(yīng)和亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生，導(dǎo)致開啟電壓不可避免出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。相反，低溫多晶硅TFT在驅(qū)動OLED顯示時具有良好的開啟電壓穩(wěn)定性，但是不利于大面積排布，表現(xiàn)出不均勻性，從而限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。近年來國內(nèi)外文獻中報道使用ZnO透明薄膜材料作為TFT的導(dǎo)電溝道，主要采用 頂柵和底柵結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動電壓較高，工作電流在微安量級[4-5]，還不能夠充分滿足有源有機發(fā)光二極管平板顯示器所需要的毫安量級驅(qū)動電流。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種驅(qū)動電壓低，工作電流大，柵極電壓控制靈敏，具有高速、高電流密度的雙肖特基結(jié)氧化鋅半導(dǎo)體薄膜晶體管。上述的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)一種雙肖特基結(jié)氧化鋅半導(dǎo)體薄膜晶體管，其組成包括底襯板，所述的底襯板上面連接源極Ag薄膜層，所述的源極Ag薄膜層上面連接導(dǎo)電溝道ZnO薄膜層，所述的導(dǎo)電溝道ZnO薄膜層上面連接?xùn)艠O半絕緣Al薄膜層，所述的柵極半絕緣Al薄膜層上面連接所述的導(dǎo)電溝道ZnO薄膜層，所述的導(dǎo)電溝道ZnO薄膜上層上面連接所述的漏極Ag薄膜層。所述的雙肖特基結(jié)氧化鋅半導(dǎo)體薄膜晶體管，所述的導(dǎo)電溝道ZnO薄膜層的厚度為120±20 nm，所述的柵極半絕緣Al薄膜層的厚度為20±10 nm，所述的源極Ag薄膜層的厚度為50nm。有益效果I.本發(fā)明是以源極與漏極金屬Ag薄膜與ZnO薄膜形成雙肖特基結(jié)、以ZnO為活性層的垂直結(jié)構(gòu)的金屬氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管，具有驅(qū)動電壓低，工作電流大，柵極電壓控制靈敏，具有高速、高電流密度的特點。2.本發(fā)明與傳統(tǒng)的非晶硅、多晶硅和有機半導(dǎo)體TFT相比，金屬氧化物半導(dǎo)體TFT擁有寬帶隙、高均勻性、高穩(wěn)定性以及高遷移率等優(yōu)良特性，使得它們在有源矩陣OLED和LCD平板顯示器驅(qū)動電路、集成電路芯片和電子標簽中有廣泛的應(yīng)用；特別在有源驅(qū)動平板電視中，隨著電視尺寸和圖像分辨率的增加，除了信號線中時間的延遲外，像素的充電時間隨之減小，因此，必須要求TFT擁有更高的電遷移率。在超高分辨率、幀速率為120Hz的平板顯示器中，要求電遷移率至少在3 cm2/VX S，而傳統(tǒng)的非晶硅TFT的遷移率約為O. 5 cm2/VX s，不能滿足高性能有源平板電視的要求，本產(chǎn)品能滿足高性能有源平板電視的要求。3.本發(fā)明采用的ZnO是一種無毒N型半導(dǎo)體材料，同時具有壓電和鐵電特性，在壓電器件、傳感器、表面聲波器件以及透明導(dǎo)電電極等無源和有源器件中有廣泛的應(yīng)用；在用作TFT器件時，由于它的禁帶寬度在3. 2eV附近，因此，在可見光波段基本沒有光吸收效應(yīng)，ZnO的電氣特性不會改變；從而在用作有源平板顯示器的驅(qū)動器件時，作為導(dǎo)電溝道層，并不需要額外的遮光保護層，從而提高有源矩陣顯示器件的開口率。4.本發(fā)明采用射頻磁控濺射法生長ZnO薄膜作為有源導(dǎo)電溝道層，用Al薄膜作為柵極，用Ag/ZnO/Al/ZnO/Ag疊層垂直結(jié)構(gòu)的雙肖特基結(jié)TFT，得到了驅(qū)動電壓低、工作電流達到毫安量級電流的ZnO-TFT。5.本發(fā)明采用Keithley 4200-SCS型半導(dǎo)體性能測試儀測試ZnO薄膜晶體管器件的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性。6.本發(fā)明利用射頻磁控濺射法生長ZnO有源層，用Al薄膜作為TFT的柵極，Ag薄膜作為TFT的漏源極，在石英玻璃襯底上制備了垂直疊層雙肖特基結(jié)構(gòu)的晶體管。7.本發(fā)明通過控制導(dǎo)電溝道ZnO薄膜的厚度，獲得了性能良好的TFT靜態(tài)工作特性；器件有效面積是O. 02cm2，在柵極電壓VGS I. 0V)的情況下，控制金屬電極Ag薄膜 隧穿入ZnO薄膜的載流子數(shù)量，實現(xiàn)了對漏源極間電流IDS的控制；在柵極偏壓VGS=O V,VDS=3 V時，漏源極電流IDS=9. 15X10-3 A，開啟電壓Vth在I. 35V左右。8.本發(fā)明的TFT在低驅(qū)動電壓條件下，可以獲得較高輸出的電流，這有利于實現(xiàn)大面積有源發(fā)光顯示器的驅(qū)動。


附圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2是附圖I的ZnO-TFT直流特性測試電路圖。附圖2中漏極加電壓VDS、柵極加電壓VGS、源極接電流計A。附圖3是附圖I和附圖2的ZnO-TFT靜態(tài)直流特性測試結(jié)果圖。附圖4是附圖I和附圖2當漏源電極間電壓VDS恒定時，漏源工作電流IDS隨著柵極電壓VGS變化的轉(zhuǎn)移特性曲線圖。附圖5是附圖I和附圖2的ZnO薄膜與漏極、源極的肖特基I_V整流特性圖。
具體實施方式
實施例I :一種雙肖特基結(jié)氧化鋅半導(dǎo)體薄膜晶體管，其組成包括底襯板1，所述的底襯板上面連接源極Ag薄膜層2，所述的源極Ag薄膜層上面連接導(dǎo)電溝道ZnO薄膜層3，所述的導(dǎo)電溝道ZnO薄膜層上面連接?xùn)艠O半絕緣Al薄膜層4，所述的柵極半絕緣Al薄膜層上面連接所述的導(dǎo)電溝道ZnO薄膜層，所述的導(dǎo)電溝道ZnO薄膜上層上面連接所述的漏極Ag薄膜層5。所述的雙肖特基結(jié)氧化鋅半導(dǎo)體薄膜晶體管，所述的導(dǎo)電溝道ZnO薄膜層的厚度為120±20 nm，所述的柵極半絕緣Al薄膜層的厚度為20±10 nm，所述的源極Ag薄膜層的厚度為50nm。實施例2 一種雙肖特基結(jié)氧化鋅半導(dǎo)體薄膜晶體管的制作方法，本制作方法采用垂直疊層結(jié)構(gòu)，由五層薄膜構(gòu)成，分別為沉積在基底上的源極Ag薄膜，Ag薄膜上面是導(dǎo)電溝道ZnO薄膜，中間一層是柵極半絕緣Al薄膜，Al薄膜上面是導(dǎo)電溝道ZnO薄膜，最上面是漏極Ag薄膜，Ag和ZnO接觸面形成了肖特基接觸，Al和ZnO接觸面形成了歐姆接觸。所述的雙肖特基結(jié)氧化鋅半導(dǎo)體薄膜晶體管的制作方法，基底材料為石英玻璃，源漏電極為金屬Ag薄膜，采用純度為99. 99%的Ag靶材，在真空度為6. OX 10_4Pa、氬氣流量為5. Osccm條件下利用直流磁控濺射鍍膜15s ;柵極電極為金屬Al薄膜，采用純度為99. 99%的Al靶材，利用與制備源漏電極薄膜相同的工藝條件，濺射鍍膜20s ;柵極分別與漏極和源極之間夾著有源層ZnO薄膜，使用射頻磁控濺射，濺射功率為150W，溫度為27°C，抽真空6. O X 10_4PA，氬氣流量5. Osccm,磁控室充入氬氣后磁控室的壓強I. OPa,磁控室Zn靶材輝光之后充入氧氣，氧氣流量為2. 6sccm,通入気氣和氧氣之后磁控室壓強為I. 6Pa ;預(yù)濺射10分鐘后除去Zn靶材表面的污染物，獲得的ZnO薄膜厚度為120±20nm。所述的雙肖特基結(jié)氧化鋅半導(dǎo)體薄膜晶體管的制作方法，在源極Ag加以正向偏壓VDS時，源極金屬Ag薄膜層的電子正向注入它上面一層ZnO薄膜層，由于柵極Al和ZnO薄膜層和ZnO薄膜上層形成歐姆接觸，零偏電壓時，在上層Ag和ZnO接觸面形成的肖特基結(jié)的內(nèi)建電勢作用下，使得源極注入到ZnO中的電子隧穿柵極Al，形成漏極電流；在由Ag薄膜構(gòu)成的漏極和源極間加以VDS偏壓時，隨漏源極電壓增加，靠近源極一側(cè)的Ag和ZnO接觸面肖特基勢壘降低，從而越過勢壘的電子數(shù)目增多，流過漏源電極電流Ids隨之增大； 通過施加不同的柵極電壓，可以實現(xiàn)對漏源電流的控制。實施例3 實施例I或2所述的雙肖特基結(jié)氧化鋅半導(dǎo)體薄膜晶體管，石英玻璃襯底、Ag薄膜作為源極、ZnO薄膜、Al薄膜作為柵極、ZnO薄膜、Ag薄膜作為漏極，共5層薄膜構(gòu)成的垂
直疊層結(jié)構(gòu)。特性均勻、穩(wěn)定、透明的薄膜晶體管(Thin Film Transistor-TFT)陣列是實現(xiàn)有源有機發(fā)光二極管(Organic Light Emitting Diode-OLED)和液晶顯示器(LiquidCrystal Display-LCD)驅(qū)動電路的核心器件。附圖2是垂直結(jié)構(gòu)ZnO薄膜晶體管的直流特性測試電路圖。測試條件選擇室溫并在普通大氣環(huán)境下進行。測試垂直結(jié)構(gòu)ZnO薄膜晶體管的靜態(tài)直流條件是柵壓Ves從OV變化到IV，步長為O. 2V，源漏極間電壓Vds從OV增加到3V。實施例4 上述實施例所述的雙肖特基結(jié)氧化鋅半導(dǎo)體薄膜晶體管，從附圖3中可以看出，ZnO-TFT柵極電壓Ves在低于IV時，對漏源電流具有明顯的調(diào)控作用?？梢园l(fā)現(xiàn)，當柵極電壓Ves恒定時，漏源間晶體管工作電流Ids隨著漏源偏壓Vds增加而變大。其原因是當柵極加一定的偏壓時，此時漏源偏壓Vds增大后，使得Ag/ZnO界面肖特基勢壘高度變低，導(dǎo)致源極一側(cè)ZnO半導(dǎo)體中的載流子穿越柵極進入漏極一側(cè)的電子數(shù)目增大，在漏極電場作用下流過漏極電極，使得晶體管工作電流Ids變大。而當漏源極間電壓Vds恒定時，漏源電流Ids隨著柵極偏壓Ves增加而變小，是因為柵極偏壓Ves增大后，使得Ag/ZnO界面肖特基勢壘高度變高，導(dǎo)致源極一側(cè)ZnO半導(dǎo)體中的載流子穿越柵極進入漏極一側(cè)的電子數(shù)目減少，使得晶體管工作電流Ids變小。當柵壓Ves為0. 2V，Vds為3V時，器件的工作漏源電流IDS=9. 15 X 10_3A，在毫安量級，比目前文獻中報導(dǎo)的電流高出2-3個量級，而且漏源極間開啟電壓低，在1.35V左右。實施例5:上述實施例所述的雙肖特基結(jié)氧化鋅半導(dǎo)體薄膜晶體管，附圖4是當漏源電極間電壓Vds恒定時，漏源工作電流Ids隨著柵極電壓Ves變化的轉(zhuǎn)移特性曲線。可見，隨著Ves的增加，Ids變小。其原因是柵極電壓增大，柵極和漏極電壓差變小，肖特基勢壘高度變大，從而ZnO半導(dǎo)體中的載流子從源極渡越到漏極要經(jīng)歷變高變厚的肖特基勢壘，因此，到達漏極的載流子數(shù)目變少，導(dǎo)致漏源電流Ids變小。實施例6 上述實施例所述的雙肖特基結(jié)氧化鋅半導(dǎo)體薄膜晶體管，ZnO薄膜與漏極、源極的肖特基I-V整流特性如附圖5所示，Vse-Ise是柵極與下部源極間電壓-電流，VDe-ID(；是柵極 與上部漏極間電壓-電流，如圖2中所示?？梢钥闯?，金屬柵極鋁與ZnO薄膜形成歐姆接觸，漏極Ag/ZnO、源極Ag/ZnO間都形成了良好的肖特基接觸，正向整流特性明顯。
權(quán)利要求1.一種雙肖特基結(jié)氧化鋅半導(dǎo)體薄膜晶體管，其組成包括底襯板，其特征是所述的底襯板上面連接源極Ag薄膜層，所述的源極Ag薄膜層上面連接導(dǎo)電溝道ZnO薄膜層，所述的導(dǎo)電溝道ZnO薄膜層上面連接?xùn)艠O半絕緣Al薄膜層，所述的柵極半絕緣Al薄膜層上面連接所述的導(dǎo)電溝道ZnO薄膜層，所述的導(dǎo)電溝道ZnO薄膜上層上面連接所述的漏極Ag薄膜層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙肖特基結(jié)氧化鋅半導(dǎo)體薄膜晶體管，其特征是所述的導(dǎo)電溝道ZnO薄膜層的厚度為120 ±20 nm，所述的柵極半絕緣Al薄膜層的厚度為20 ± 10 nm,所述的源極Ag薄膜層的厚度為50nm。
專利摘要雙肖特基結(jié)氧化鋅半導(dǎo)體薄膜晶體管。目前國內(nèi)外研究的ZnO薄膜晶體管主要采用頂柵與底柵場效應(yīng)結(jié)構(gòu)。一種雙肖特基結(jié)氧化鋅半導(dǎo)體薄膜晶體管，其組成包括底襯板(1)，所述的底襯板上面連接源極Ag薄膜層(2)，所述的源極Ag薄膜層上面連接導(dǎo)電溝道ZnO薄膜層(3)，所述的導(dǎo)電溝道ZnO薄膜層上面連接?xùn)艠O半絕緣Al薄膜層(4)，所述的柵極半絕緣Al薄膜層上面連接所述的導(dǎo)電溝道ZnO薄膜層，所述的導(dǎo)電溝道ZnO薄膜上層上面連接所述的漏極Ag薄膜層(5)。本實用新型用于有源矩陣有機發(fā)光顯示器的驅(qū)動單元、高密度集成電路以及其他電子電路等領(lǐng)域中。
文檔編號H01L29/786GK202633321SQ20122032557
公開日2012年12月26日 申請日期2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月6日
發(fā)明者王玥, 王東興 申請人:哈爾濱理工大學(xué)