一种光电子弛豫型薄膜晶体管

1.本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种光电子弛豫型薄膜晶体管。


背景技术：

2.以非晶氧化铟镓锌(a-igzo)为代表的非晶金属氧化物薄膜晶体管(薄膜晶体管)因其较高迁移率、低制备温度、可大面积制备、透明度高和产线兼容等优点，已成功地应用在新型平板显示的驱动背板上。但是迁移率和光照偏压稳定性一直是产业界急需解决的问题。


技术实现要素：

3.针对目前的金属氧化物薄膜晶体管存在的迁移率低以及光照偏压稳定性差等技术问题，本发明的目的在于提供一种光电子弛豫型薄膜晶体管。
4.本发明实施例包括一种光电子弛豫型薄膜晶体管，包括：
5.衬底；
6.绝缘层；所述绝缘层与所述衬底连接；
7.有源层；所述有源层包括前沟道电子传输层和背沟道光电子弛豫层，所述前沟道电子传输层具有高电子迁移率特性，所述背沟道光电子弛豫层具有光生载流子快复合特性，所述前沟道电子传输层与所述绝缘层连接，所述背沟道光电子弛豫层与所述前沟道电子传输层连接；
8.源极；所述源极位于所述有源层一侧，所述源极分别与所述绝缘层、所述前沟道电子传输层和所述背沟道光电子弛豫层连接；
9.漏极；所述漏极位于所述有源层另一侧，所述漏极分别与所述绝缘层、所述前沟道电子传输层和所述背沟道光电子弛豫层连接。
10.进一步地，所述光电子弛豫型薄膜晶体管还包括：
11.栅极；所述栅极位于所述衬底与所述绝缘层之间。
12.进一步地，所述前沟道电子传输层为高铟氧化物薄膜。
13.进一步地，所述前沟道电子传输层为in2o3、igo、izo或者igto薄膜。
14.进一步地，所述前沟道电子传输层中，铟的原子含量比例大于60％。
15.进一步地，所述背沟道光电子弛豫层为掺杂的铟锡类金属氧化物薄膜。
16.进一步地，所述背沟道光电子弛豫层为itgzo、itgo、itzo、italo、itzro、prito、pbizto、erigto、nbigzto、csitalo、laito、cdizto或者tbigto薄膜。
17.进一步地，所述背沟道光电子弛豫层中，锡元素的原子含量比例为0-40％之间。
18.进一步地，所述背沟道光电子弛豫层的厚度满足其中，d为所述背沟道光电子弛豫层的厚度，dn为光电子的扩散系数，τn为光电子的平均寿命。
19.进一步地，所述双层有源层刻蚀之后不会形成台阶形状。
20.进一步地，所述衬底为si、sio2、玻璃或者柔性材料，所述绝缘层为pecvd制备的氧
化物绝缘层或聚合物绝缘层，所述源漏栅极金属层为mo、au或者ito。
21.本发明的有益效果是：实施例中的光电子弛豫型薄膜晶体管，使用具有高电子迁移率特性的前沟道电子传输层以及具有光生载流子快复合特性的背沟道光电子弛豫层，组成双层结构的有源层，其中前沟道电子传输层能够提供载流子从而提高迁移率，背沟道光电子弛豫层能够加快光生电子-空穴对的弛豫效率，使得背沟道电子弛豫层中的电子和空穴可以马上复合，而难以被捕获进入绝缘层，减轻阈值电压负漂等负面影响，提高薄膜晶体管的稳定性，同时控制背沟道层铟锡比可以消除有源层刻蚀后的台阶结构。
附图说明
22.图1为实施例中光电子弛豫型薄膜晶体管的结构图；
23.图2为实施例中光电子弛豫型薄膜晶体管的转移特性曲线示意图；
24.图3为实施例中光电子弛豫型薄膜晶体管的输出特性曲线示意图；
25.图4为实施例中光电子弛豫型薄膜晶体管的光照偏压稳定性测试结果示意图。
具体实施方式
26.虽然传统的双层和多层结构薄膜晶体管可以有效提升薄膜晶体管器件的迁移率和正负偏压稳定性，但是光照稳定性仍然是个顽疾。在实际应用中薄膜晶体管有源层不可避免的会受到自然光和led发光层的影响(尤其是在透明显示领域)，500nm波长以下光波会电离激发价带顶深能级的氧空位并产生电子-空穴对，在传统的材料中光激发产生的电子-空穴对无法马上复合，在负偏压在空穴被捕获进入绝缘层，在负偏压撤离之后电子无法与空穴复合，导致阈值电压负漂。
27.基于上述原理，本实施例提供一种光电子弛豫型薄膜晶体管，其结构如图1所示。参照图1，光电子弛豫型薄膜晶体管包括衬底
①
、绝缘层
②
、有源层(包括前沟道电子传输层
③
和背沟道光电子弛豫层
④
)、源极(左边的
⑤
)和漏极(右边的
⑤
)。其中，绝缘层与衬底连接，前沟道电子传输层与绝缘层连接，背沟道光电子弛豫层与前沟道电子传输层连接，源极位于有源层一侧，源极分别与绝缘层、前沟道电子传输层和背沟道光电子弛豫层连接，漏极位于有源层另一侧，漏极分别与绝缘层、前沟道电子传输层和背沟道光电子弛豫层连接。
28.本实施例中，可以将薄膜晶体管的栅极设置在衬底与绝缘层之间，即栅极分别与衬底和绝缘层连接，这样，栅极位于底部为底电极，源极和漏极位于顶部为顶电极。
29.本实施例中，前沟道电子传输层具有高电子迁移率特性，背沟道光电子弛豫层具有光生载流子快复合特性。具体地，前沟道电子传输层所具有的“高电子迁移率特性”可以是相对于薄膜晶体管中的其他部分而言的，例如，衬底、绝缘层和背沟道光电子弛豫层等部分的电子迁移率相对前沟道电子传输层较低，那么则可以确定前沟道电子传输层具有高电子迁移率特性。同理，背沟道光电子弛豫层所具有的“光生载流子快复合特性”可以是相对于薄膜晶体管中的其他部分而言的，例如，衬底、绝缘层和前沟道电子传输层等部分的光生载流子复合速度相对背沟道光电子弛豫层较慢，那么则可以确定背沟道光电子弛豫层具有光生载流子快复合特性。
30.前沟道电子传输层和背沟道光电子弛豫层组成了双层的有源层结构。前沟道电子传输层是高铟含量氧化物，铟的原子含量比例可以大于60％。
31.本实施例中，背沟道电子弛豫层是快速复合特性材料掺杂的铟锡氧化物。通过选取具有快速复合特性的元素掺杂铟锡氧化物薄膜作为背沟道电子弛豫层，可以降低背沟道层光电子的弛豫时间，使得光生载流子快速被复合而无法被绝缘层捕获。
32.本实施例中，所述衬底的材料包括但不限于si/sio2、玻璃、柔性衬底。
33.本实施例中，有源层是双层结构，前沟道电子传输层所用的半导体材料是高铟含量氧化物薄膜，背沟道电子弛豫层是快速复合特性材料掺杂的铟锡氧化物薄膜。
34.具体地，前沟道电子传输层半导体材料元素包括但不局限于in2o3、igo、izo、igto，背沟道光电子弛豫层半导体材料包括但不局限于itgzo、itgo、itzo、italo、itzro、prito、pbizto、erigto、nbigzto、csitalo、laito、cdizto、tbigto等。
35.绝缘层为pecvd制备的sio2或者si3n4，也可以是ald制备的高介电常数绝缘层，如氧化铝、氧化锆、氧化铪等。源极、漏极和栅极可以是mo、ti或者ito等金属材料，功函数匹配即可。
36.本实施例中，前沟道电子传输层的厚度为15-30nm，背沟道电子弛豫层的厚度大于电子在背沟道电子弛豫层中的扩散长度ln，而扩散长度其中dn为光电子的扩散系数，τn为光电子的平均寿命，因此背沟道电子弛豫层的厚度d满足具体地，背沟道电子弛豫层的厚度可以为20-50nm。背沟道光电子弛豫层可以有效降低波长大于350nm而小于700nm的紫外和可见光波段对有源层的影响，加快光生电子-空穴对的复合，提高了薄膜晶体管器件的光照稳定性。前沟道电子传输层的主要作用是提供载流子，从而提高迁移率；同时控制背沟道层铟锡比可以调控两层的刻蚀速率。两层分工明确且互补，既能提升薄膜晶体管的迁移率，又增强器件的光照稳定性。
37.依据上述实施例的一种光电子弛豫型薄膜晶体管，所述的背沟道光电子弛豫层通过控制快速复合材料的浓度调节电子的弛豫速率。在n型半导体中，非平衡载流子的复合率u≈δnxn
t
xr
p
(其中δn是光生电子浓度，是n
t
是快速复合材料的掺杂浓度、r
p
是复合中心对空穴的俘获系数)，掺杂的快速复合材料的浓度越高，光电子的弛豫速率越快。但是，由于半导体的迁移率μ
fe
∝nt-1
t
1.5
(其中t为温度)，掺杂浓度越高，半导体薄膜的杂质散射越严重，迁移率越小。为保证器件的高迁移率，背沟道光电子弛豫层的迁移率应该大于传输层迁移率的1/10(即大于5cm2/vs)，最终快速复合材料的掺杂浓度会被限制在一个恰当的范围之内。加快光生电子-空穴对复合效率，有效降低外界光照对薄膜晶体管的光照偏压稳定性影响；通过采用高铟含量前沟道电子传输层可以有效提高器件的迁移率，单层前沟道电子传输层薄膜晶体管器件的迁移率应大于40cm2/vs)且开启电压小于-10v；控制背沟道光电子弛豫层材料中的铟锡比例调节两层半导体的刻蚀速率，保证背沟道光电子弛豫层的湿法刻蚀速率慢于前沟道电子传输层。其中弛豫层锡含量≈(传输层铟含量-弛豫层铟含量)
÷
2。由于锡元素对碳类元素(co2、光刻胶)比较敏感，所以可以控制锡的含量不超过40％。最终解决双层半导体在湿法刻蚀过程中因为刻蚀速率不一样带来的台阶结构，得到一种高迁移率高光照稳定性且面向产业化的薄膜晶体管。
38.本实施例中，前沟道层半导体是高电子迁移率的高铟氧化物薄膜，通过高铟前沟道层提升薄膜晶体管的迁移率；背沟道电子弛豫层是pbo、pr6o
11
、cdo、nb2o5、er2o3、cso2、tb4o7、knbo3、la2o3等或者它们共掺杂的铟锡类金属氧化物薄膜，通过掺杂快速复合特性元
素获得快光电子弛豫(弛豫时间小于1纳秒)的背沟道电子弛豫层，加快光生电子-空穴对的弛豫效率，使得背沟道电子弛豫层中的电子和空穴可以马上复合，而难以被捕获进入绝缘层；通过前沟道层半导体和背沟道电子弛豫层组合成双层结构的有源层，能够获得稳定性好、迁移率高的薄膜晶体管。另一方面，通过调控锡元素含量协调两种材料的刻蚀速率，能使得有源层中的两层的刻蚀速率相近，提高结构稳定性。
39.如图2所示为本发明实例中薄膜晶体管的转移特性曲线，漏极电压v
ds
＝30v时，栅极电压v
gs
＝30v时的源漏电流i
ds
＝1.1ma，并提取到该薄膜晶体管的饱和场效应迁移率43cm2v-1
s-1
，由此可见本实施例中的薄膜晶体管可以有效提升饱和场迁移率。
40.如图3所示为本发明实例中薄膜晶体管的输出特性曲线，在栅极电压v
gs
＝40v时，源漏电压设定为v
ds
＝40v的漏极电流i
ds
＝2.1ma。
41.如图4所示为本发明实例中薄膜晶体管的光照负偏压稳定性测试图，在强光照射下，施加栅压v
gs
＝-30v时，保持3600s后阈值电压(i
ds
＝1na)漂移δv
th
＝-2.3v，由此可见本实施例中的薄膜晶体管表现出优异的光照负偏压稳定特性。
42.需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。
43.应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。
44.应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
45.此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
46.进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包
括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、ram、rom等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。
47.计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
48.以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。