專利名稱：摻雜氧化鋅半導體材料及其制備方法與應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種氧化鋅半導體材料，特別是涉及一種摻雜氧化鋅半導體材料與制備方法，以及應用該該材料制備的薄膜晶體管，該摻雜氧化鋅半導體材料作為薄膜晶體管的有源溝道層可以應用在有機發光顯示(OLED)、液晶顯示(LCD)、電子紙顯示等領域，也可以用于集成電路領域。
背景技術：
近年來，在平板顯示尤其是在有機電致發光顯示(OLED)領域，基于氧化物半導體的薄膜晶體管越來越受到重視。目前用在平板顯示的薄膜晶體管的半導體溝道層的材料主要是硅材料，包括非晶硅(a_Si:H)、多晶硅、微晶硅等。然而非晶硅薄膜晶體管具有對光敏感、遷移率低(< lcm7Vs)和穩定性差等缺點；多晶硅薄膜晶體管雖然具有較高的遷移率，但是由于晶界的影響導致其電學均勻性差，且多晶硅制備溫度高和成本高，限制了其在平板顯示中的應用；微晶硅制備難度大，晶粒控制技術難度高，不容易實現大面積規模量產。基于氧化物半導體的薄膜晶體管具有載流子遷移率較高(1 100cm2/Vs)、制備溫度低 (< 400 0C，遠低于玻璃的熔點)、對可見光透明等優點，在平板顯示的TFT基板領域，有替代用傳統硅工藝制備的薄膜晶體管的發展趨勢。氧化物半導體材料主要包括氧化鋅(SiO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化鋅錫(ZTO)、氧化銦鎵鋅(IGZO)等。其中，ZnO的遷移率較低，如果制備成遷移率較高的多晶的ZnO薄膜，則需要較高的溫度，但多晶的ZnO薄膜的均勻性和穩定性較差；IGZO是報道的綜合性能較好的氧化物半導體材料，但其穩定性依然不足；ZTO的成本最低，但其遷移率也相對較低，并且其熱處理溫度較高；IZO的遷移率較高，熱處理溫度也比較低，但基于IZO的薄膜晶體管的閾值電壓為負值，較難關斷且穩定性也不足。

發明內容
本發明的目的在于提供一種可以控制本征載流子的數量，降低關態電流，提高開關比的摻雜氧化鋅半導體材料及其制備方法。本發明的另一目的是針對現有的基于氧化物半導體材料的薄膜晶體管的穩定性較差、開啟電壓為負數等問題，應用上述材料制備遷移率較高、穩定性較好、開關比較高、成本較低的氧化物半導體薄膜晶體管。本發明通過引入新的aio的摻雜物，可以控制本征載流子的數量，降低關態電流， 提高開關比；同時也改善氧化物半導體薄膜與絕緣層之間的接觸，減少閾值電壓漂移，達到提高薄膜晶體管的電學穩定性的目的。本發明目的通過如下技術方案實現一種摻雜氧化鋅半導體材料，在氧化鋅(ZnO)材料中同時摻入銦an)、錫(Sn)以及鎳(Ni)；其成份為 NiaSnJncZndO,其中，0. 01 彡 a 彡 0. 09,0. 01 彡 b 彡 0. 09、c = 0. 3、d =0. 6 且 a+b+c+d = 1。
所述摻雜氧化鋅半導體材料的制備方法將摩爾比為a b c d的Ni0、Sn0、 InO和ZnO粉末研磨并混合均勻，再經過成型、燒結、機械加工、打磨等工藝制成摻雜氧化鋅半導體材料的陶瓷靶材，所述燒結的溫度為1100-1200攝氏度；其中，0.01彡a彡0. 09、 0. 01 彡 b 彡 0. 09、c = 0. 3、d = 0. 6 且 a+b+c+d = 1。應用所述摻雜氧化鋅半導體材料制備的薄膜晶體管包括玻璃基板、柵極、絕緣層、溝道層、源極和漏極；玻璃基板為方形板，柵極位于玻璃基板中心上部，絕緣層覆蓋在柵極上端，并且在柵極左右端和后端沿玻璃基板延伸，柵極前端在玻璃基板上端伸出絕緣層， 以供引入電信號之用；溝道層設置在絕緣層中部上端，位于柵極正上方，溝道層左右兩端伸出柵極；源極和漏極分別覆蓋在溝道層的兩端并且相互間隔；所述的溝道層材料的成份為NiaSnJncZnd0，其中，0. 01 彡 a 彡 0. 09,0. 01 彡 b 彡 0. 09、c = 0. 3、d = 0. 6 且 a+b+c+d =1，所述的溝道層的制備方法為將溝道層材料NiaSn1JneSidO作為陶瓷靶材安裝在濺射儀上，通過濺射的方法制備成薄膜形成溝道層，濺射本底真空度為1 X IO-3Pa,氬氣流量 50sccm，氧氣流量 ⑶！!!，氣壓為0. 5Pa，功率為IlOW ；溝道層厚度為20 lOOnm，通過掩模或光刻的方法成形。本發明摻雜氧化鋅半導體材料為在ZnO中同時摻入h、Sn以及Ni ；此摻雜氧化鋅半導體材料可以用公式NiaSn1JneSidO表示，其中，0. 01彡a彡0. 09、0. 01彡b彡0. 09、c = 0. 3、d = 0. 6且a+b+c+d = 1。摻入h可提高電子遷移率；摻入Sn可增加穩定性；摻入Ni 可抑制過剩的本征載流子，降低關態電流，提高開關比，而且上述摻雜在分別提高對氧化鋅半導體材料相關性能的同時，并不構成相互影響。相對于現有技術，本發明具有如下優點和有益效果(1)本發明在氧化鋅(SiO)中同時摻入銦an)、錫(Sn)以及鎳(Ni)；該材料摻入 In后提高了電子遷移率；摻入Sn后增加了材料的穩定性；摻入M后可抑制過剩的本征載流子，降低關態電流，提高開關比，且上述上述三種材料相互配合作用，使得制備的氧化鋅半導體材料可以控制本征載流子的數量，降低關態電流，提高開關比，且電子遷移率高、穩定性好。(2)應用本發明氧化鋅半導體材料制備的薄膜晶體管具有電子遷移率較高，穩定性較好，開關比較高等特點。(3)本發明氧化鋅半導體材料制備方法簡單，溫度低，成本低。


圖IA是利用本發明所述的摻雜氧化鋅半導體材料作為溝道層的薄膜晶體管的截面示意圖；圖IB是利用本發明所述的摻雜氧化鋅半導體材料作為溝道層的薄膜晶體管的俯視圖。圖2是實施例1中的薄膜晶體管的轉移特性曲線。圖3是實施例2中的薄膜晶體管的轉移特性曲線。圖4是實施例3中的薄膜晶體管的轉移特性曲線。
具體實施例方式下面結合附圖和實施方式對本發明做進一步的描述，但需要說明的是，實施例并不構成對本發明要求保護的范圍的限定。本發明的摻雜氧化鋅半導體材料為在ZnO中同時摻入In、Sn以及Ni ；此摻雜氧化鋅半導體材料可以用公式NiaSnbInJndO表示，其中，0. 01彡a彡0. 09、0. 01彡b彡0. 09、 c = 0. 3、d = 0. 6 且 a+b+c+d = 1。這種材料的制備方法為將摩爾比為a b c d的Ni0、Sn0、In0和ZnO粉末研磨并混合均勻，再經過成型、燒結、機械加工、打磨等工藝制成陶瓷靶材，粉末混合的均勻性應大于99. 9%，燒結溫度為1100-1200攝氏度，優選1150攝氏度。如圖IA和圖IB所述，本發明的薄膜晶體管包括玻璃基板10、柵極11、絕緣層12、 溝道層13、源極11 和漏極114b ；玻璃基板10為方形板，柵極11位于玻璃基板10中心上部，絕緣層12覆蓋在柵極11上端，并且在柵極11左右端和后端沿玻璃基板10延伸，柵極 11前端在和玻璃基板10上端伸出絕緣層12，可在絕緣層12上前端通過刻蝕露出一部分柵極11，以供引入電信號之用；溝道層13設置在絕緣層12中部上端，位于柵極11正上方，溝道層13左右兩端伸出柵極11 ；源極11 和漏極114b分別覆蓋在溝道層13的兩端并且相互間隔，柵極11上端源極IHa和漏極114b的間隔左右兩端的距離即為溝道長度L，源漏電極的前后端的長度即為溝道寬度W。所述的溝道層13的材料的成份為NiaSnbIn。Znd0，其中，0. 01彡a彡0. 09、 0. 01彡b彡0. 09、C = 0. 3、d = 0. 6且a+b+c+d = 1 ；所述的溝道層13的制備方法為將上述制備的masnijn。aido陶瓷靶材安裝在濺射儀上，通過濺射的方法制備成薄膜形成溝道層，濺射本底真空度為ι χ 10 ,氬氣流量50SCCm，氧氣流量kccm，氣壓為0. 5Pa,功率為 IlllOff ；厚度為20 lOOnm，通過掩模或光刻的方法成形。所述的柵極11的材料可以是Al、Mo、Cr、Cu、Ni、Ta、Au、Ag、Pt、Ti、ITO等導電材料；可用磁控濺射(濺射本底真空度為1 X 10 ,氬氣流量50SCCm，氣壓為0. 5Pa,功率為 200W)，真空熱蒸發或電子束蒸發等技術制備；厚度為100 500nm，通過掩模或光刻的方法成形。所述的絕緣層12的材料可以是金屬氧化物，如氧化鋁或氧化鉭等，也可以是二氧化硅、氮化硅或高分子絕緣材料等；可用電化學氧化、濺射、化學氣相沉積(PECVD)、印刷或旋涂的方法制備；厚度為100 lOOOnm，通過掩模或光刻的方法成形。所述的源極14a和漏極14b的材料可以是Al、Mo、Cr、Cu、Ni、Ta、Au、Ag、Pt、Ti、 ITO等導電材料；可用磁控濺射(濺射本底真空度為1 X IO-3Pa,氬氣流量50SCCm，氣壓為 0. 5Pa,功率為200W)，真空熱蒸發或電子束蒸發等技術制備；厚度為100 500nm，通過掩模或光刻的方法成形。實施例1(1)靶材制備將摩爾比為1%: 9% 30% 60%的NiO、SnO、MO和SiO粉末混合均勻，再經過成型、燒結、機械加工、打磨等工藝制成陶瓷靶材。(2)薄膜晶體管的制備本實施例利用上述制備的NiacilSnatl9Ina3Zna6O材料作為溝道層，制備了薄膜晶體管(其結構示意圖如圖1所示)。其中，玻璃基板10的材料為無堿玻璃，厚度為0. 4mm ； 柵極11的材料為Al，通過濺射的方法制備，厚度為300nm;絕緣層12為通過電化學氧化的Al2O3，厚度為140nm;溝道層13通過濺射的方法制備，濺射所用的靶材為上述制備的 Nia(11S%(19I%3Z%60靶材，濺射的本底真空度為10_3Pa，濺射壓強為0. 3Pa，功率為110W，所制備的膜的厚度為30nm ；源極1 和漏極14b的材料為ΙΤ0，通過濺射的方法制備，厚度為 250nm，溝道的寬度和長度分別為ΙΟΟμπι和ΙΟμπι，寬長比為10 1。所制備的晶體管器件性能在空氣中測試。圖2是實施例1的薄膜晶體管測得的轉移特性曲線，即漏極電流與柵極電壓之間的關系。曲線的測試條件為源極電壓(Vs)為0V， 漏極電壓(Vd)恒定為5V，柵極電壓(Ve)從-IOV到IOV再從IOV到-IOV來回掃描，測試漏極電流(Id)。計算得到薄膜晶體管的載流子遷移率為10. Icm2V-1 s—1，但器件的關態電流(I。ff) 較大GXI(TkiA),開關比(I。n/。ff)為106。從圖2中可以看出正向和反向掃描的曲線的磁滯回線較小，這說明器件的穩定性較IZO或IGZO的好。實施例2(1)靶材制備將摩爾比為9% 1% 30% 60%的NiO、SnO、InO和ZnO粉末混合均勻，再經過成型、燒結、機械加工、打磨等工藝制成陶瓷靶材。(2)薄膜晶體管的制備本實施例利用上述制備的Niaci9SnatllIna3Zna6O材料作為溝道層，制備了薄膜晶體管(其結構示意圖如圖1所示)。其中，玻璃基板10的材料為無堿玻璃，厚度為0.4mm; 柵極11的材料為Al，通過濺射的方法制備，厚度為300nm;絕緣層12為通過電化學氧化的Al2O3，厚度為140nm;溝道層13通過濺射的方法制備，濺射所用的靶材為上述制備的 Nia(19S%(11I%3Z%60靶材，濺射的本底真空度為10_3Pa，濺射壓強為0. 3Pa，功率為110W，所制備的膜的厚度為30nm ；源極1 和漏極14b的材料為ΙΤ0，通過濺射的方法制備，厚度為 250nm，溝道的寬度和長度分別為ΙΟΟμπι和ΙΟμπι，寬長比為10 1。所制備的晶體管器件性能在空氣中測試。圖3是實施例2的薄膜晶體管測得的轉移特性曲線，即漏極電流與柵極電壓之間的關系。曲線的測試條件為源極電壓(Vs)為0V， 漏極電壓(Vd)恒定為5V，柵極電壓(Ve)從-10V到10V再從10V到-10V來回掃描，測試漏極電流(Id)。計算得到薄膜晶體管的載流子遷移率為6. Icm2V-1S-1,器件的關態電流(I。ff) 只有(3X I(T12A),開關比(Ion7off)高達 3X107。實施例3(1)靶材制備將摩爾比為5%: 5% 30% 60%的NiO、SnO、和SiO粉末混合均勻，再經過成型、燒結、機械加工、打磨等工藝制成陶瓷靶材。(2)薄膜晶體管的制備本實施例利用上述制備的Niaci5Snatl5Ina3Zna6O材料作為溝道層，制備了薄膜晶體管(其結構示意圖如圖1所示)。其中，玻璃基板10的材料為無堿玻璃，厚度為0.4mm; 柵極11的材料為Al，通過濺射的方法制備，厚度為300nm;絕緣層12為通過電化學氧化的Al2O3，厚度為140nm;溝道層13通過濺射的方法制備，濺射所用的靶材為上述制備的 Nia(15S%(15I%3Z%60靶材，濺射的本底真空度為10_3Pa，濺射壓強為0. 3Pa，功率為110W，所制備的膜的厚度為30nm;源極1 和漏極14b的材料為ΙΤ0，通過濺射的方法制備，厚度為 250nm，溝道的寬度和長度分別為ΙΟΟμπι和ΙΟμπι，寬長比為10 1。所制備的晶體管器件性能在空氣中測試。圖4是實施例3的薄膜晶體管測得的轉移特性曲線，即漏極電流與柵極電壓之間的關系。曲線的測試條件為源極電壓(Vs)為0V， 漏極電壓(Vd)恒定為5V，柵極電壓(Ve)從-IOV到IOV再從IOV到-IOV來回掃描，測試漏極電流(Id)。計算得到薄膜晶體管的載流子遷移率為7. Zcm2V-1S-1,器件的關態電流(I。ff) 只有(3X I(T12A)，開關比(I。n/。ff)高達3X107。從圖2中可以看出正向和反向掃描的曲線的磁滯回線較小，這說明器件的穩定性較IZO或IGZO的好。綜上所述，摻入化后的電子遷移率均比純ZnO高；摻入Sn后穩定性增強；摻入Ni 的目的是抑制過剩的本征載流子，降低關態電流，提高開關比。
權利要求
1.一種摻雜氧化鋅半導體材料，其特征在于在ZnO材料中同時摻入In、Sn以及Ni ； 其成份為 NiaSnbIncZndO,其中，0. 01 ≤ a ≤ 0. 09,0. 01 ≤ b ≤ 0. 09、c = 0. 3、d = 0. 6 且 a+b+c+d = 1 ο
2.權利要求1所述摻雜氧化鋅半導體材料的制備方法，其特征在于將摩爾比為 a b c d的Ni0、Sn0、In0和ZnO粉末研磨并混合均勻，再經過成型、燒結、機械加工、 打磨工藝制成摻雜氧化鋅半導體材料的陶瓷靶材，所述燒結的溫度為1100-1200攝氏度； 其中，0. 01 ≤ a ≤ 0. 09,0. 01 ≤ b ≤ 0. 09、C = 0. 3、d = 0. 6 且 a+b+c+d = 1。
3.應用權利要求1所述摻雜氧化鋅半導體材料制備的薄膜晶體管，其特征在于薄膜晶體管包括玻璃基板、柵極、絕緣層、溝道層、源極和漏極；玻璃基板為方形板，柵極位于玻璃基板中心上部，絕緣層覆蓋在柵極上端，并且在柵極左右端和后端沿玻璃基板延伸，柵極前端在玻璃基板上端伸出絕緣層，以供引入電信號之用；溝道層設置在絕緣層中部上端，位于柵極正上方，溝道層左右兩端伸出柵極；源極和漏極分別覆蓋在溝道層的兩端并且相互間隔；所述的溝道層材料的成份為=NiaSn1JncZndO,其中，0.01 ^ a ^ 0. 09、 0. 01 ≤ b ≤ 0. 09、c = 0. 3、d = 0. 6 且 a+b+c+d = 1。
4.根據權利要求3所述的薄膜晶體管，其特征在于所述的溝道層的制備方法為將溝道層材料masnijn。aido作為陶瓷靶材安裝在濺射儀上，通過濺射的方法制備成薄膜形成溝道層，通過掩模或光刻的方法成形。
5.根據權利要求3所述的薄膜晶體管，其特征在于所述柵極的材料為導電材料Al、 Mo、Cr、Cu、Ni、Ta、AU、Ag、Pt、Ti或ITO ；用磁控濺射真空熱蒸發或電子束蒸發制備，通過掩模或光刻的方法成形。
6.根據權利要求3所述的薄膜晶體管，其特征在于所述的絕緣層材料為氧化鋁、氧化鉭等、二氧化硅或氮化硅；絕緣層用電化學氧化、濺射、化學氣相沉積、印刷或旋涂的方法制備；通過掩模或光刻的方法成形。
7.根據權利要求3所述的薄膜晶體管，其特征在于所述的源極和漏極材料為導電材料Al、Mo、Cr、Cu、Ni、Ta、Au、Ag、Pt、Ti或ITO ；源極和漏極用磁控濺射，真空熱蒸發或電子束蒸發等技術制備，通過掩模或光刻的方法成形。
全文摘要
本發明公開了摻雜氧化鋅半導體材料及其制備方法與應用。摻雜氧化鋅半導體材料是在ZnO材料中同時摻入In、Sn以及Ni；其成份為NiaSnbIncZndO，其中，0.01≤a≤0.09、0.01≤b≤0.09、c＝0.3、d＝0.6且a+b+c+d＝1。應用摻雜氧化鋅半導體材料制備的薄膜晶體管包括玻璃基板、柵極、絕緣層、溝道層、源極和漏極；柵極位于玻璃基板中心上部，絕緣層覆蓋在柵極上端，溝道層設置在絕緣層中部上端，位于柵極正上方，溝道層左右兩端伸出柵極；源極和漏極分別覆蓋在溝道層的兩端并且相互間隔；溝道層材料為摻雜氧化鋅半導體材料。該薄膜晶體管具有載流子遷移率高、穩定性好以及開關比高等優點。
文檔編號C23C14/08GK102296270SQ20111025219
公開日2011年12月28日 申請日期2011年8月30日 優先權日2011年8月30日
發明者蘭林鋒, 彭俊彪, 徐苗, 曹鏞, 王磊, 許偉 申請人:華南理工大學, 廣州新視界光電科技有限公司