专利名称：双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管及制作方法
技术领域：
本发明涉及一种双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管及制作方法。
背景技术：
目前国内外研究的ZnO薄膜晶体管主要采用顶栅与底栅场效应结构。传统的非晶硅TFT在大面积排布时表现出良好的电特性，但是它们在正偏压工作条件下并不稳定。此外，在驱动OLED显示吋，由于电荷诱导效应和亚稳态的产生，导致开启电压不可避免出现漂移现象。相反，低温多晶硅TFT在驱动OLED显示时具有良好的开启电压稳定性，但是不利于大面积排布，表现出不均匀性，从而限制了其应用领域。近年来国内外文献中报道使用ZnO透明薄膜材料作为TFT的导电沟道，主要采用顶栅和底栅结构，其驱动电压较高，工作电流在微安量级[4-5]，还不能够充分满足有源有 机发光二极管平板显示器所需要的毫安量级驱动电流。
发明内容
本发明的目的是提供一种驱动电压低，工作电流大，栅极电压控制灵敏，具有高速、高电流密度的双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管及制作方法。上述的目的通过以下的技术方案实现
一种双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管，其组成包括底衬板，所述的底衬板上面连接源极Ag薄膜层，所述的源极Ag薄膜层上面连接导电沟道ZnO薄膜层，所述的导电沟道ZnO薄膜层上面连接栅极半绝缘Al薄膜层，所述的栅极半绝缘Al薄膜层上面连接所述的导电沟道ZnO薄膜层，所述的导电沟道ZnO薄膜上层上面连接所述的漏极Ag薄膜层。所述的双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管，所述的导电沟道ZnO薄膜层的厚度为120±20 nm，所述的栅极半绝缘Al薄膜层的厚度为20±10 nm，所述的源极Ag薄膜层的厚度为50nm。一种双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管的制作方法，本制作方法采用垂直叠层结构，由五层薄膜构成，分别为沉积在基底上的源极Ag薄膜，Ag薄膜上面是导电沟道ZnO薄膜，中间ー层是栅极半绝缘Al薄膜，Al薄膜上面是导电沟道ZnO薄膜，最上面是漏极Ag薄膜，Ag和ZnO接触面形成了肖特基接触，Al和ZnO接触面形成了欧姆接触。所述的双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管的制作方法，基底材料为石英玻璃，源漏电极为金属Ag薄膜，采用纯度为99. 99%的Ag靶材，在真空度为6. 0X10-4Pa、氩气流量为5. Osccm条件下利用直流磁控溅射镀膜15s ;栅极电极为金属Al薄膜，采用纯度为99. 99%的Al靶材，利用与制备源漏电极薄膜相同的エ艺条件，溅射镀膜20s ;栅极分别与漏极和源极之间夹着有源层ZnO薄膜，使用射频磁控溅射，溅射功率为150W，温度为27 °C，抽真空6. 0 X 10-4PA,氩气流量5. Osccm,磁控室充入氩气后磁控室的压强I. OPa,磁控室Zn靶材辉光之后充入氧气，氧气流量为2. 6sccm,通入気气和氧气之后磁控室压强为I. 6Pa ;预溅射10分钟后除去Zn靶材表面的污染物，获得的ZnO薄膜厚度为120±20nm。所述的双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管的制作方法，在源极Ag加以正向偏压VDS时，源极金属Ag薄膜层的电子正向注入它上面一层ZnO薄膜层，由于栅极Al和下层ZnO薄膜层及上层ZnO薄膜形成欧姆接触，零偏电压时，在上层Ag和ZnO接触面形成的肖特基结的内建电势作用下，使得源极注入到ZnO中的电子隧穿栅极Al，形成漏极电流；在由Ag薄膜构成的漏极和源极间加以VDS偏压时，随漏源极电压增加，靠近源极一侧的Ag和ZnO接触面肖特基势垒降低，从而越过势垒的电子数目增多，流过漏源电极电流IDS随之增大；通过施加不同的栅极电压，可以实现对漏源电流的控制。有益效果
I.本发明是以源极与漏极金属Ag薄膜与ZnO薄膜形成双肖特基结、以ZnO为活性层的垂直结构的金属氧化物半导体薄膜晶体管，具有驱动电压低，工作电流大，栅极电压控制灵敏，具有高速、高电流密度的特点。本发明与传统的非晶硅、多晶硅和有机半导体TFT相比，金属氧化物半导体TFT拥
有宽带隙、高均匀性、高稳定性以及高迁移率等优良特性，使得它们在有源矩阵OLED和LCD平板显示器驱动电路、集成电路芯片和电子标签中有广泛的应用；特别在有源驱动平板电视中，随着电视尺寸和图像分辨率的增加，除了信号线中时间的延迟外，像素的充电时间随之减小，因此，必须要求TFT拥有更高的电迁移率。在超高分辨率、帧速率为120Hz的平板显示器中，要求电迁移率至少在3 cm2/VX s，而传统的非晶硅TFT的迁移率约为0.5 cm2/VX s，不能满足高性能有源平板电视的要求，本产品能满足高性能有源平板电视的要求。本发明采用的ZnO是一种无毒N型半导体材料，同时具有压电和铁电特性，在压电器件、传感器、表面声波器件以及透明导电电极等无源和有源器件中有广泛的应用；在用作TFT器件时，由于它的禁带宽度在3. 2eV附近，因此，在可见光波段基本没有光吸收效应，ZnO的电气特性不会改变；从而在用作有源平板显示器的驱动器件时，作为导电沟道层，并不需要额外的遮光保护层，从而提高有源矩阵显示器件的开口率。本发明采用射频磁控溅射法生长ZnO薄膜作为有源导电沟道层，用Al薄膜作为栅极，用Ag/ZnO/Al/ZnO/Ag叠层垂直结构的双肖特基结TFT，得到了驱动电压低、工作电流达到毫安量级电流的ZnO-TFT。本发明采用Keithley 4200-SCS型半导体性能测试仪测试ZnO薄膜晶体管器件的输出特性和转移特性。本发明利用射频磁控溅射法生长ZnO有源层，用Al薄膜作为TFT的栅极，Ag薄膜作为TFT的漏源极，在石英玻璃衬底上制备了垂直叠层双肖特基结构的晶体管。本发明通过控制导电沟道ZnO薄膜的厚度，获得了性能良好的TFT静态工作特性；器件有效面积是0.02cm2，在栅极电压VGS 1. 0V)的情况下，控制金属电极Ag薄膜隧穿入ZnO薄膜的载流子数量，实现了对漏源极间电流IDS的控制；在栅极偏压VGS=O V，VDS=3 V时，漏源极电流IDS=9. 15X10-3 A，开启电压Vth在I. 35V左右。本发明的TFT在低驱动电压条件下，可以获得较高输出的电流，这有利于实现大面积有源发光显示器的驱动。
附图I是本发明的结构示意图。附图2是附图I的ZnO-TFT直流特性测试电路图。附图2中漏极加电压VDS、栅极加电压VGS、源极接电流计A。附图3是附图I和附图2的ZnO-TFT静态直流特性测试结果图。
附图4是附图I和附图2当漏源电极间电压VDS恒定时，漏源工作电流IDS随着栅极电压VGS变化的转移特性曲线图。附图5是附图I和附图2的ZnO薄膜与漏极、源极的肖特基I_V整流特性图。
具体实施例方式 实施例I :
一种双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管，其组成包括底衬板1，所述的底衬板上面连接源极Ag薄膜层2，所述的源极Ag薄膜层上面连接导电沟道ZnO薄膜层3，所述的导电沟道ZnO薄膜层上面连接栅极半绝缘Al薄膜层4，所述的栅极半绝缘Al薄膜层上面连接所述的导电沟道ZnO薄膜层，所述的导电沟道ZnO薄膜上层上面连接所述的漏极Ag薄膜层
5。 所述的双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管，所述的导电沟道ZnO薄膜层的厚度为120±20 nm，所述的栅极半绝缘Al薄膜层的厚度为20±10 nm，所述的源极Ag薄膜层的厚度为50nm。实施例2
一种双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管的制作方法，本制作方法采用垂直叠层结构，由五层薄膜构成，分别为沉积在基底上的源极Ag薄膜，Ag薄膜上面是导电沟道ZnO薄膜，中间一层是栅极半绝缘Al薄膜，Al薄膜上面是导电沟道ZnO薄膜，最上面是漏极Ag薄膜，Ag和ZnO接触面形成了肖特基接触，Al和ZnO接触面形成了欧姆接触。所述的双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管的制作方法，基底材料为石英玻璃，源漏电极为金属Ag薄膜，采用纯度为99. 99%的Ag靶材，在真空度为6. OX 10_4Pa、氩气流量为5. Osccm条件下利用直流磁控溅射镀膜15s ;栅极电极为金属Al薄膜，采用纯度为99. 99%的Al靶材，利用与制备源漏电极薄膜相同的工艺条件，溅射镀膜20s ;栅极分别与漏极和源极之间夹着有源层ZnO薄膜，使用射频磁控溅射，溅射功率为150W，温度为27°C，抽真空6. 0 X 10_4PA，氩气流量5. Osccm,磁控室充入氩气后磁控室的压强I. OPa,磁控室Zn靶材辉光之后充入氧气，氧气流量为2. 6sccm,通入気气和氧气之后磁控室压强为I. 6Pa ;预溅射10分钟后除去Zn靶材表面的污染物，获得的ZnO薄膜厚度为120±20nm。所述的双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管的制作方法，在源极Ag加以正向偏压VDS时，源极金属Ag薄膜层的电子正向注入它上面一层ZnO薄膜层，由于栅极Al和ZnO薄膜层和ZnO薄膜上层形成欧姆接触，零偏电压时，在上层Ag和ZnO接触面形成的肖特基结的内建电势作用下，使得源极注入到ZnO中的电子隧穿栅极Al，形成漏极电流；在由Ag薄膜构成的漏极和源极间加以VDS偏压时，随漏源极电压增加，靠近源极一侧的Ag和ZnO接触面肖特基势垒降低，从而越过势垒的电子数目增多，流过漏源电极电流Ids随之增大；通过施加不同的栅极电压，可以实现对漏源电流的控制。实施例3
实施例I或2所述的双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管，石英玻璃衬底、Ag薄膜作为源极、ZnO薄膜、Al薄膜作为栅极、ZnO薄膜、Ag薄膜作为漏极，共5层薄膜构成的垂直叠层结构。特性均勻、稳定、透明的薄膜晶体管(Thin Film Transistor-TFT)阵列是实现有源有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode-OLED)和液晶显示器(LiquidCrystal Display-LCD)驱动电路的核心器件。附图2是垂直结构ZnO薄膜晶体管的直流特性测试电路图。测试条件选择室温并在普通大气环境下进行。测试垂直结构ZnO薄膜晶体管的静态直流条件是栅压Vffi从OV变化到IV，步长为0. 2V，源漏极间电压Vds从OV增加到3V。实施例4:
上述实施例所述的双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管，从附图3中可以看出，ZnO-TFT栅极电压Ves在低于IV时，对漏源电流具有明显的调控作用。可以发现，当栅极电压恒定时，漏源间晶体管工作电流Ids随着漏源偏压Vds增加而变大。其原因是当栅极加一定的偏压时，此时漏源偏压Vds增大后，使得Ag/ZnO界面肖特基势垒高度变低，导致源极一侧ZnO半导体中的载流子穿越栅极进入漏极一侧的电子数目增大，在漏极电场作用下流过漏极电极，使得晶体管工作电流Ids变大。而当漏源极间电压Vds恒定时，漏源电流Ids随 着栅极偏压增加而变小，是因为栅极偏压Vffi增大后，使得Ag/ZnO界面肖特基势垒高度变高，导致源极一侧ZnO半导体中的载流子穿越栅极进入漏极一侧的电子数目减少，使得晶体管工作电流Ids变小。当栅压Ves为0. 2V，Vds为3V时，器件的工作漏源电流IDS=9. 15 X 10_3A，在毫安量级，比目前文献中报导的电流高出2-3个量级，而且漏源极间开启电压低，在1.35V左右。实施例5
上述实施例所述的双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管，附图4是当漏源电极间电压Vds恒定时，漏源工作电流Ids随着栅极电压Vffi变化的转移特性曲线。可见，随着Vffi的增力口，Ids变小。其原因是栅极电压增大，栅极和漏极电压差变小，肖特基势垒高度变大，从而ZnO半导体中的载流子从源极渡越到漏极要经历变高变厚的肖特基势垒，因此，到达漏极的载流子数目变少，导致漏源电流Ids变小。实施例6
上述实施例所述的双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管，ZnO薄膜与漏极、源极的肖特基I-V整流特性如附图5所示，VS(；-IS(；是栅极与下部源极间电压-电流，VD<rID(；是栅极与上部漏极间电压-电流，如图2中所示。可以看出，金属栅极铝与ZnO薄膜形成欧姆接触，漏极Ag/ZnO、源极Ag/ZnO间都形成了良好的肖特基接触，正向整流特性明显。
权利要求
1.一种双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管，其组成包括底衬板，其特征是所述的底衬板上面连接源极Ag薄膜层，所述的源极Ag薄膜层上面连接导电沟道ZnO薄膜层，所述的导电沟道ZnO薄膜层上面连接栅极半绝缘Al薄膜层，所述的栅极半绝缘Al薄膜层上面连接所述的导电沟道ZnO薄膜层，所述的导电沟道ZnO薄膜上层上面连接所述的漏极Ag薄膜层。
2.根据权利要求I所述的双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管，其特征是所述的导电沟道ZnO薄膜层的厚度为120 ±20 nm，所述的栅极半绝缘Al薄膜层的厚度为20 ±10 nm,所述的源极Ag薄膜层的厚度为50nm。
3.一种双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管的制作方法，其特征是本制作方法采用垂直叠层结构，由五层薄膜构成，分别为沉积在基底上的源极Ag薄膜，Ag薄膜上面是导电沟道ZnO薄膜，中间ー层是栅极半绝缘Al薄膜，Al薄膜上面是导电沟道ZnO薄膜，最上面是漏极Ag薄膜，Ag和ZnO接触面形成了肖特基接触，Al和ZnO接触面形成了欧姆接触。
4.根据权利要求3所述的双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管的制作方法，其特征是基底材料为石英玻璃，源漏电极为金属Ag薄膜，采用纯度为99. 99%的Ag靶材，在真空度为6. OX 10_4Pa、氩气流量为5. Osccm条件下利用直流磁控溅射镀膜15s ;栅极电极为金属Al薄膜，采用纯度为99. 99%的Al靶材，利用与制备源漏电极薄膜相同的エ艺条件，溅射镀膜20s ;栅极分别与漏极和源极之间夹着有源层ZnO薄膜，使用射频磁控溅射，溅射功率为150W，温度为27 oC,抽真空6. 0 X 10-4PA,氩气流量5. Osccm,磁控室充入氩气后磁控室的压强I. OPa,磁控室Zn祀材辉光之后充入氧气,氧气流量为2. 6sccm,通入気气和氧气之后磁控室压强为I. 6Pa ;预溅射10分钟后除去Zn靶材表面的污染物，获得的ZnO薄膜厚度为 120±20nm。
5.根据权利要求3或4所述的双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管的制作方法，其特征是在源极Ag加以正向偏压VDS时，源极金属Ag薄膜层的电子正向注入它上面一层ZnO薄膜层，由于栅极Al和下层ZnO薄膜层及上层ZnO薄膜形成欧姆接触，零偏电压时，在上层Ag和ZnO接触面形成的肖特基结的内建电势作用下，使得源极注入到ZnO中的电子隧穿栅极Al，形成漏极电流；在由Ag薄膜构成的漏极和源极间加以VDS偏压时，随漏源极电压增加，靠近源极ー侧的Ag和ZnO接触面肖特基势垒降低，从而越过势垒的电子数目增多，流过漏源电极电流IDS随之増大；通过施加不同的栅极电压，可以实现对漏源电流的控制。
全文摘要
双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管及制作方法。目前国内外研究的ZnO薄膜晶体管主要采用顶栅与底栅场效应结构。一种双肖特基结氧化锌半导体薄膜晶体管，其组成包括底衬板(1)，所述的底衬板上面连接源极Ag薄膜层(2)，所述的源极Ag薄膜层上面连接导电沟道ZnO薄膜层(3)，所述的导电沟道ZnO薄膜层上面连接栅极半绝缘Al薄膜层(4)，所述的栅极半绝缘Al薄膜层上面连接所述的导电沟道ZnO薄膜层，所述的导电沟道ZnO薄膜上层上面连接所述的漏极Ag薄膜层(5)。本发明用于有源矩阵有机发光显示器的驱动单元、高密度集成电路以及其他电子电路等领域中。
文档编号H01L21/34GK102779855SQ20121023286
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月6日 优先权日2012年7月6日
发明者刘倩, 梅金硕, 王东兴, 王玥, 王长昊, 田晓华, 贺训军 申请人:哈尔滨理工大学