薄膜晶体管及其制备方法与流程

本发明涉及显示
技术领域：
，尤其是涉及一种薄膜晶体管及其制备方法。
背景技术：
：近年来，在平板显示尤其是在有机电致发光显示(OLED)领域，基于氧化物半导体的薄膜晶体管越来越受到重视。基于氧化物半导体的薄膜晶体管具有载流子迁移率较高(1cm2V-1s-1～100cm2V-1s-1)、制备温度低、对可见光透明等优点。这类氧化物主要是氧化锌(ZnO)掺杂体系，以氧化铟锌(IZO)、氧化铟镓锌(IGZO)等为代表。IZO和IGZO这类材料存在共同的问题是其中的铟元素在地壳中含量稀少，价格昂贵，增加了成本；而且这类材料均对空气中的水、氧比较敏感，空气中的水、氧在背沟道处的吸附与解吸附效应会严重导致器件不稳定。技术实现要素：基于此，本发明在于克服现有技术的缺陷，提供一种薄膜晶体管及其制备方法，其可有效降低制作成本，提升薄膜晶体管器件的稳定性。其技术方案如下：一种薄膜晶体管的制作方法，包括以下步骤：在基板制作第一导电薄膜，并对所述第一导电薄膜图形化处理制备栅极；在基板上制作电介质薄膜，并对所述电介质薄膜图形化处理制备栅极绝缘层；在基板上制作LaBX薄膜，并对所述LaBX薄膜图形化处理制备有源层，其中x的取值范围为：1.5≤x≤5.5；在基板上制作第二导电薄膜，并对所述第二导电薄膜图形化处理制备源极和漏极。在其中一个实施例中，在基板上制作LaBX薄膜的步骤具体为：采用物理气相沉积方法在基板上制备所述有源层，通过改变物理气相沉积方法中的工作气压来调节x的数值。在其中一个实施例中，所述物理气相沉积方法中的工作气压为0.25pa～5pa。在其中一个实施例中，所述工作气压为1pa～2.5pa。在其中一个实施例中，所述LaBX薄膜的迁移率为1cm2V-1s-1～100cm2V-1s-1。在其中一个实施例中，所述物理气相沉积方法为磁控溅射、脉冲激光沉积或原子层沉积。本技术方案还提供了一种薄膜晶体管，其特征在于，包括基板、栅极、栅极绝缘层、有源层、源极和漏极，所述有源层为LaBX薄膜，其中x的取值范围为：1.5≤x≤5.5。在其中一个实施例中，所述x的取值范围为：2.3≤x≤4.2。在其中一个实施例中，所述有源层的厚度为20nm～100nm。下面对前述技术方案的优点或原理进行说明：本发明提供一种薄膜晶体管及其制备方法，其有源层为LaBX薄膜，由地壳中含量较为丰富的元素La(镧)和B(硼)组成。由于La的地壳丰度(39)远高于In(铟)、Ga(镓)等的地壳丰度(铟：0.25，镓：19)，其原材料价格低廉，极大地降低了材料成本。并且LaBX具有高熔点、耐离子轰击、抗氧化、导热、导电、化学稳定性极好的优点。因此，基于该材料作为有源层的薄膜晶体管具有稳定性好、成本低廉的优点，有应用于工业生产的潜力。此外，本发明还创新地探索了LaBX中的x的取值，通过优化x取值，从而保证薄膜晶体管具有明显的半导体特性又可保证具有较高的载流子迁移率。附图说明图1为本发明实施例所述的底栅顶接触结构的薄膜晶体管的结构示意图；图2为本发明实施例所述的底栅底接触结构的薄膜晶体管的结构示意图；图3为本发明实施例所述的顶栅顶接触结构的薄膜晶体管的结构示意图；图4为本发明实施例所述的顶栅底接触结构的薄膜晶体管的结构示意图；图5为本发明实施例所述的薄膜晶体管的制备方法的流程图；图6为本发明实施例一所述的薄膜晶体管的转移特性曲线图；图7为本发明实施例二所述的薄膜晶体管的转移特性曲线图；图8为本发明对照例一所述的薄膜晶体管的转移特性曲线图；图9为本发明对照例二所述的薄膜晶体管的转移特性曲线图。附图标记说明：10、基板，20、栅极，30、栅极绝缘层，40、有源层，51、源极，52、漏极。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。本发明所述的薄膜晶体管包括基板10、栅极20、栅极绝缘层30、有源层40、源极51和漏极52。本实施例所述有源层40材料为硼化镧(LaBX)。其中LaBX并不完全按化学计量匹配，所述的x的取值范围为1.5≤x≤5.5。所述基板10可以为玻璃、塑料或表面被氧化的硅片等。所述栅极20为导电材料，如金属、金属合金或导电金属氧化物ITO(In2O3-SnO2)等，还可以是两层以上的导电材料，如Mo/Al/Mo等，厚度为50nm～1000nm。所述栅极绝缘层30可以为电介质材料如SiO2、SiNx、Si-O-N、Al2O3、Ta2O5、Y2O3或HfO2中的一层或多层，厚度为10nm～1000nm。所述源极51以及漏极52为导电材料，如金属、金属合金或导电金属氧化物等，还可以是两层以上的导电材料，如Mo/Al/Mo等，厚度为50nm～1000nm。图1至图4显示了含有上述LaBX材料作为有源层40的薄膜晶体管的截面结构图。其中，图1示出的是底栅顶接触结构，图2示出的是底栅底接触结构，图3示出的是顶栅顶接触结构，图4示出的顶栅底接触结构。如图1所示，一个底栅顶接触结构的薄膜晶体管，包括:基板10,栅极20位于基板10之上，栅极绝缘层30覆盖于栅极20之上，有源层40覆盖在绝缘层30之上，源极51和漏极52分别部分覆盖在有源层40的上表面的两端，并相互间隔布置。本发明也可根据实际需要在有源层40上表面位于源极51和漏极52之间的部分设置刻蚀阻挡层或钝化层等。如图2所示，一个底栅底接触结构的薄膜晶体管，包括：基板10，栅极20位于基板10之上，栅极绝缘层30覆盖于栅极20之上，源极51和漏极52制备在栅极绝缘层30之上并相互间隔，有源层40覆盖在源极51和漏极52以及源极51和漏极52之间的绝缘层30的表面之上。本发明还可根据实际需要在有源层40上表面设置刻蚀阻挡层或钝化层等。如图3所示，一个顶栅顶接触结构的薄膜晶体管，包括基板10,有源层40位于基板10之上，源极51和漏极52分别部分覆盖在有源层40的上表面的两端，并相互间隔，栅极绝缘层30覆盖在源极51和漏极52以及源极51和漏极52之间的有源层40的表面之上，栅极20覆盖在绝缘层30之上。如图4所示，一个顶栅底接触结构的薄膜晶体管，包括基板10，源极51和漏极52制备在基板10之上并相互间隔，有源层40覆盖在源极51和漏极52以及源极51和漏极52之间的基板10的表面之上，栅极绝缘层30覆盖有源层40之上，栅极20覆盖在栅极绝缘层30之上。下面以底栅顶接触结构的薄膜晶体管为例对其制备方法进行说明，请参阅图1和图5。S10、在基板10上通过磁控溅射的方法制作第一导电薄膜(Al-Nd薄膜)，并对所述第一导电薄膜进行图形化处理获得栅极20。具体地，先在基板10上通过磁控溅射的方法制造一层厚度为300nm的Al-Nd薄膜，并通过光刻的方法进行图形化，得到栅极20。本发明也可采用真空蒸镀或溶液加工(旋涂甩膜法、喷墨打印法以及丝网印刷法等)等方法制备栅极20。S20、在基板10上通过阳极氧化的方法制作电介质薄膜(Nd:Al2O3薄膜)，并通过遮挡掩膜或光刻的方法图形化处理电介质薄膜，获得栅极绝缘层30。具体地，将上述制备好栅极20的基板10置于电解液中作为阳极，采用金属Pt作为阴极，进行阳极氧化制备Nd:Al2O3栅极绝缘层30，厚度为200nm。阳极氧化方法无需大型设备，并且可在室温下进行，制作简易。此外，因为氧化层中含有氧化铝，其介电常数较高，所以基于这种单一氧化绝缘层30的薄膜晶体管的阈值电压相对较低，有助于降低器件的功耗。本发明也可根据实际需要选择热氧化法、物理气相沉积法或化学气相沉积法制备栅极绝缘层30。S30、在基板10上通过磁控溅射的方法制作LaBX薄膜，并对所述LaBX薄膜图形化处理制备有源层40。具体地：将LaB6靶材装在溅射腔内靶位上进行磁控溅射沉积获得20nm～100nm的LaBX薄膜，制备的过程中利用摭挡掩模的方法进行图形化，制备LaBX有源层40。由于不同的工作气压对x取值有较大影响，具体地：由于La(138.9)和B(10.81)的原子质量相差较大，在物理气相沉积的过程中，B原子在脱离靶材飞向基板的过程中容易受到气体分子或离子的碰撞而改变运动方向，而La原子由于原子质量较大，气体分子或离子的碰撞对其运动轨迹的影响较小。当工作气压较小时，由于腔体内气体分子或离子总量少，与B原子发生碰撞的几率减小，因此，大多数B原子能到达基板，因而LaBX中x值较大；而工作气压较大时，由于腔体内气体分子或离子总量多，与B原子发生碰撞的几率大大增加，很大一部分B原子的运动方向会由于碰撞而发生改变，导致到达基板的B原子数量较小，因而LaBX中x值较小。现就不同工作气压所对应的x取值大小进行试验探究：薄膜制备过程中的工作气压分别为0.05Pa、0.25Pa、0.5Pa、1Pa、2.5Pa、5Pa及6Pa。表1中列出了不同工作气压下制备的LaBX薄膜中x的取值。x值采用EDS(EnergyDispersiveSpectrometer)微区分析的方法测得。表1不同工作气压下制备的LaBX薄膜中x的取值工作气压/Pa0.050.250.512.556x(B/La)65.54.23.62.31.51由上可知，工作气压较小时，x较大，当工作气压小到一定程度时，x＝6。因而可通过改变工作气压来调节x的数值，进而调节LaBX薄膜Hall迁移率，Hall迁移率的调节范围为1cm2V-1s-1～100cm2V-1s-1。本实施例所述LaBX薄膜制备时的工作气压选择为0.25pa～5pa，优选为1pa～2.5pa；x取值范围对应为1.5≤x≤5.5，优选为2.3≤x≤4.2，更进一步优选为3.6。需要注意的是，本发明也可采用脉冲激光沉积或原子层沉积等其他物理气相沉积的方法制备有源层40。S40、在基板10上通过磁控溅射的方法制作第二导电薄膜(ITO薄膜)，并通过图形化处理第二导电薄膜获得源极51和漏极52。所述ITO(IndiumTinOxides)薄膜厚度为200nm，采用剥离(lift-off)的方法图形化，同时得到源极51和漏极52，即完成薄膜晶体管器件的制备。需要说明的是，本文所述“在基板10上制作有源层40”、“在基板10上制作栅极20”等此类表述，均表示为有源层40以及栅极20等功能层均是以基板10为衬底制作而成，功能层可以是直接与基板10接触，也可以是通过居中的功能层设于基板10之上。此外，本发明对上述步骤S10至S40的先后顺序不做限定。例如当薄膜晶体管为如图1所示的底栅顶接触结构时，则按照S10-S20-S30-S40的先后顺序制作；当薄膜晶体管为如图2所示的底栅底接触结构时，则按照S10-S20-S40-S30的先后顺序制作。当薄膜晶体管为如图3所示的顶栅顶接触结构时，则按照S30-S40-S20-S10的先后顺序制作。当薄膜晶体管为如图4所示的顶栅底接触结构时，则按照S40-S30-S20-S10的先后顺序制作。由于不同的工作气压下制备的LaBX薄膜具备不同的x值，进而影响LaBX薄膜电学性质，最终影响薄膜晶体管的器件特性。下面对不同工作气压对薄膜晶体管的转移特性曲线进行说明。需要说明的是，实施例一和实施例二中的薄膜晶体管均是采用上述制备方法制备而成，优选采用同一种器件结构，如底栅顶接触结构或其他结构。实施例一本实施例为一优选实施例，其LaBX薄膜沉积过程中的工作气压为2.5Pa(x＝2.3)，薄膜厚度为40nm。所制备的薄膜晶体管器件性能在空气中测试。图6所示为本实施例制备的薄膜晶体管测得的转移特性曲线，即漏极52电流与栅极20电压之间的关系。曲线的测试条件为：源极51电压(VS)为0V，漏极52电压(VD)恒定为20V，栅极20电压(VG)从-20V到20V扫描，测试漏极52电流(ID)。从图中可以看出，基于LaBX薄膜为有源层的薄膜晶体管阈值电压较负，但具有明显的开关性能。这表明本实施例中所制备的LaBX薄膜具有半导体属性，栅极20能较好地控制LaBX有缘层中的载流子，基于LaBX薄膜为有源层的TFT具有明显的场效应。说明：这里所提到的阈值电压是指在漏极52电流的对数相对于栅极20电流的曲线中，漏极52电流刚开始大幅上升时对应的栅极20电压的值，本说明书中所有提到的“阈值电压”都使用此定义。实施例二本实施例为另一优选实施例，其LaBX薄膜沉积过程的工作气压为1Pa(x＝3.6)，薄膜厚度为40nm。所制备的薄膜晶体管器件性能在空气中测试。图7是本实施例中制备的薄膜晶体管测得的转移特性曲线，即漏极52电流与栅极20电压之间的关系。曲线的测试条件为：源极51电压(VS)为0V，漏极52电压(VD)恒定为20V，栅极20电压(VG)从-20V到20V扫描，测试漏极52电流(ID)。从图中可以看出，基于LaBX薄膜为有源层的薄膜晶体管表现出明显的转移特性曲线，且器件的阈值电压在0V附近，器件状态为“常关”状态。同实施例一相比，本实施例中TFT阈值电压正向移动，这说明，溅射过程中的工作气压能有效调节LaBX薄膜的载流子浓度，也意味着LaBX薄膜中x的取值与溅射过程中的工作气压有关。对照例一对照例一与实施例一和实施例二的制作方法基本相同，所不同的是：LaBX薄膜沉积过程的工作气压为6Pa(x＝1)，薄膜厚度为40nm。所制备的薄膜晶体管器件性能在空气中测试。图8是本对照例中制备的薄膜晶体管测得的转移特性曲线，即漏极52电流与栅极20电压之间的关系。曲线的测试条件为：源极51电压(VS)为0V，漏极52电压(VD)恒定为20V，栅极20电压(VG)从-20V到20V扫描，测试漏极52电流(ID)。从图中可以看出，基于LaBX薄膜为有源层的薄膜晶体管尽管仍具有明显的场效应特性，但其开态电流较小，亚阈陡度(定义为：使log(ID)上升一个数量级时所需要的栅压增量ΔVG)很大，这表明该条件下制备的LaBx薄膜内部缺陷数量明显增大，载流子数量显著下降。这也意味着LaBX制备过程的工作气压超出一定范围时薄膜缺陷明显增多，电阻显著增大，朝着类绝缘的性能发生转变。对照例二对照例一与实施例一和实施例二的制作方法基本相同，所不同的是：LaBX薄膜沉积过程的工作气压为0.05Pa(x＝6)，薄膜厚度为40nm。所制备的薄膜晶体管器件性能在空气中测试。图9是本对照例中制备的薄膜晶体管测得的转移特性曲线，即漏极52电流与栅极20电压之间的关系。曲线的测试条件为：源极51电压(VS)为0V，漏极52电压(VD)恒定为20V，栅极20电压(VG)从-20V到20V扫描，测试漏极52电流(ID)。从图中可以看出，基于LaBX薄膜为有源层的薄膜晶体管表现出导体性质，不具备开关性能。这说明工作气压小到一定程度时，LaBX薄膜中B原子数量增加，La-B键增多，结构相对规整，表现出明显的导体特性。通过将实施例一、实施例二与对照例一、对照例二进行比对可知，当x取值较小(x＝1)时，LaBX薄膜呈类绝缘性质，其内断键、缺陷较多，薄膜结构发生畸变，导致载流子浓度过低，呈现类绝缘性质；当x取值较大(x＝6)时，LaBX薄膜呈现导体性质，使得源极51和漏极52导通，导致薄膜晶体管呈现类电阻状态，不具备开关特性。仅当x取值为1.5≤x≤5.5时，其呈现半导体特性，载流子浓度适中，最终获得迁移率较高同时开关比又较大的薄膜晶体管。综上所述，本发明打破常规，创造性地开辟了一个新的半导体材料体系，即LaBX薄膜。通过调节LaBX薄膜制备过程中的工作气压将LaBX薄膜从导体范畴调节至半导体范畴，进而将其用作薄膜晶体管的有源层40，拓宽了已有的半导体材料体系，提供了一种新的思路。本发明中所用到的半导体材料LaBX薄膜价格低廉，相比于氧化锌基掺杂体系材料极大地降低了材料成本。此外，基于LaBX薄膜的薄膜晶体管在常温下表现出较好的电学特性曲线，无需经过退火处理。因而，LaBX薄膜基薄膜晶体管从材料本身以及制备工艺上大幅降低了成本。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。当前第1页1 2 3