一种非晶态氮化镓或氮化铟薄膜晶体管及其制备方法

摘要

本发明涉及一种功能薄膜制备方法及应用领域，特指一种非晶态氮化镓或氮化铟薄膜晶体管及其制备方法。采用等离子体化学气相沉积技术，利用有机源、氨气作为反应源；利用氢气或氮气作为有机源载气源，利用硅烷、三甲基镁作为掺杂剂，在衬底上分别制备n型、p型非晶态氮化镓或氮化铟；并以n型、p型非晶态氮化镓或氮化铟薄膜作为薄膜晶体管的沟道层，通过该方法制作的非晶态氮化镓或氮化铟薄膜及非晶态氮化镓或氮化铟薄膜晶体管是在廉价的衬底上得到的，因此大大降低了制造成本；本发明的材料均匀程度高、杂质含量低、器件与衬底黏附力大等优点；另外本发明方法具有操作简便、适于大面积连续生产等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种功能薄膜制备方法及应用领域，特指一种非晶态氮化镓或氮化铟薄膜晶体管及其制备方法。

背景技术

由InN、GaN、AlN及其合金组成的III族氮化物半导体是目前最重要的一类宽禁带半导体，其热力学稳定结构是纤锌矿结构，III族氮化物的纤锌矿结构晶体是以四面体结构为基础，具有六方对称性，是由六方排列的双原子层规则地按ABAB……的顺序堆叠而成（<0111>方向），由于III族氮化物所具有的这些特性，其主要应用领域包括半导体照明、DVD的光存储、探测器（专利申请号：200810019832.2，200810019835.6）以及高温、高频、高功率微波器件；例如，家近泰等人（专利申请号：0212445.5）提供了一种3~5族的化合物半导体，并应用于发光二极管；此外，赵彦立等人（专利申请号：200910060799.2）利用半导体外延层的生长也实现了GaN基发光二极管的研发；康香宁等人（专利申请号：200510073285.2，200610167605.5）提出了一种高亮度GaN基发光管芯片及其制备方法和降低氮化镓单晶膜与异质基底间应力的方法。

III族氮化物的制备方法包括分子束外延、有机分子气相外延、热分解合成粉末材料和溶胶-凝胶法（专利申请号：03110867.9）等；除溶胶-凝胶法外，III族氮化物通常是异质外延在c面蓝宝石衬底上的，而c面蓝宝石衬底和c面III族氮化物间的晶格和热失配都较大，这样导致在外延过程中产生大量的位错和缺陷，并且导致外延晶体结构变形，从而产生压电极化场，压电极化场同样会改变晶体能带分布，使电子和空穴的分布错开，且使有效禁带宽度减小，激发峰位红移；溶胶-凝胶法制备III族氮化物需要掺入一些高分子材增稠剂，因此杂质含量比较多；近年来，赵桂娟等人（专利申请号：201210313725.7）在衬底上生长非极性A面InGaN柔性层，然后在非极性A面InGaN柔性层上生长GaN缓冲层，对非极性A面InGaN柔性层和非极性A面GaN缓冲层进行退火处理，形成自组装横向外延模板，以及在自组装横向外延模板上生长非极性A面GaN薄膜；杜国同等人（专利申请号：201010554940.7）利用SiC衬底晶格和GaN匹配好的优点，在SiC衬底上制出一种垂直结构发光管，同时，也可利用多层III族氮化物在金刚石厚膜衬底上制备声表面波器件（专利申请号：201110062224.1）。

由此可见，在非晶态氮化镓或氮化铟材料及器件制备方面，研发人员已经进行了大量的工作，然而无论是利用新衬底和新技术，目前生产成本还是比较高，工艺比较冗杂；本发明提供了一种在普通衬底，例如玻璃、聚亚酰胺柔性塑料或单晶硅片上，利用化学气相沉积技术制备非晶态氮化镓或氮化铟薄膜和非晶态氮化镓或氮化铟薄膜半导体器件的制备方法，通过该方法制作的材料均匀程度高、杂质含量低、器件与衬底黏附力大等优点；另外本制作方法具有操作简便，适于大面积连续生产的优点。

发明内容

本发明目的在于提供一种非晶态氮化镓和非晶态氮化铟薄膜及非晶态氮化镓和非晶态氮化铟薄膜半导体器件的制备方法，采用等离子体化学气相沉积技术，利用有机源、氨气作为反应源；利用氢气或氮气作为有机源载气源，利用硅烷、三甲基镁作为掺杂剂，在衬底（如硅片、玻璃或塑料）上分别制备n型、p型非晶态氮化镓或氮化铟；并以n型、p型非晶态氮化镓或氮化铟薄膜作为薄膜晶体管的沟道层，其薄膜晶体管结构如图1和图2所示，通过该方法制作的非晶态氮化镓或氮化铟薄膜及非晶态氮化镓或氮化铟薄膜晶体管是在廉价的衬底上得到的，因此大大降低了制造成本；本发明的材料均匀程度高、杂质含量低、器件与衬底黏附力大等优点；另外本发明方法具有操作简便、适于大面积连续生产等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用等离子体化学气相沉积技术，利用有机源、氨气作为反应源；利用氢气或氮气作为有机源载气源，利用硅烷、三甲基镁作为掺杂剂，在衬底上分别制备n型、p型非晶态氮化镓或非晶态氮化铟薄膜；以n型、p型非晶态氮化镓或非晶态氮化铟作为薄膜晶体管沟道层，制备顶栅结构薄膜晶体管和底栅结构薄膜晶体管。

作为优选，所述的等离子体化学气相沉积技术制备非晶态氮化镓或非晶态氮化铟薄膜过程中，其工艺参数为：有机源和氨气质量流量比例为1:2~ 1:1，射频功率为50~350 W，反应压强为20~200 Pa；所述的衬底温度为室温至350 ℃。

    所述的掺杂剂为n型掺杂剂或p型掺杂剂；其中，掺杂剂和有机源质量流量混合比例为1%~20%，有机源和氨气质量流量混合比例为1：2~1：1；其中所述的n型掺杂剂、p型掺杂剂可分别选择三甲基镁和硅烷，所述的有机源为三甲基镓、三乙基镓或三甲基铟。

所述的顶栅结构薄膜晶体管由衬底、阻隔层、沟道层、源电极、栅介质层、栅电极和漏电极组成，衬底上方为阻隔层，阻隔层上方为沟道层，沟道层上方两侧分别为源漏电极，沟道层上方中间为栅介质层，栅介质层上方为栅电极，晶体管通过化学气相沉积和磁控溅射结合掩模工艺完成各功能层的叠加生长，具体结构如图1所示，制作过程见实施实例。

所述的底栅结构薄膜晶体管由衬底、栅电极、栅介质层、沟道层、源电极和漏电极、组成，衬底上方为栅电极，栅电极上方为栅介质层，栅介质层上方为沟道层，沟道层上方两侧分别为源电极和漏电极，晶体管通过化学气相沉积和磁控溅射结合掩模工艺完成各功能层的叠加生长，具体结构如图2所示，制作过程见实施实例。

所述的顶栅结构薄膜晶体管由衬底、阻隔层、沟道层、源电极、栅介质层、栅电极和漏电极组成，每层薄膜依靠自身的膜层与其他薄膜形成连接，先在经过清洗的衬底上制备阻隔层、在阻隔层表面利用PECVD方法制备沟道层，然后利用磁控溅射方法结合掩模工艺在沟道层表面制备源电极和漏电极，再利用PECVD方法结合掩模工艺在沟道层表面制备栅介质层，最后在栅介质层表面利用磁控溅射制备栅电极，具体结构如图1所示，制作过程见实施实例。

所述的底栅结构薄膜晶体管由衬底、栅电极、栅介质层、沟道层、源电极和漏电极组成，每层薄膜依靠自身的膜层与其他薄膜形成连接，先在经过清洗的衬底上利用磁控溅射制备栅电极，然后在栅电极表面利用PECVD方法制备栅介质层，接着在栅介质层表面利用PECVD制备沟道层，再利用掩模板工艺结合磁控溅射在沟道层表面制备源电极和漏电极。

所述衬底为玻璃、聚亚酰胺柔性塑料或单晶硅片。

作为优选，所述的顶栅结构薄膜晶体管，采用二氧化硅或氮化硅薄膜作为阻隔层，厚度为100~2000nm。

作为优选，所述的非晶态氮化镓或氮化铟薄膜晶体管中，栅介质层选择二氧化硅或氮化硅，厚度为200~5000 nm；其二氧化硅制备工艺参数为：通入流量为30~90 sccm的氧气，流量为5~20 sccm的硅烷；控制反应腔室压强为10~200 Pa；调整射频功率为30~200W；衬底温度为20~200℃；其氮化硅制备工艺参数为：通入流量为30~90 sccm的氮气，流量为5~20 sccm的硅烷；控制反应腔室压强为10~200 Pa；调整射频功率为30~200W；衬底温度为200~400℃。

作为优选，所述的非晶态氮化镓或氮化铟薄膜晶体管中，栅电极、源电极、漏电极选用金属及导电的金属氧化物材料，厚度为50~500nm；其中，底栅结构晶体管的源电极、漏电极长为800~1200μm，宽为100~150μm，源电极、漏电极之间间距为50~100μm，栅电极长为800~1200μm，宽为250~400μm；顶栅结构晶体管的源电极、漏电极长为800~1200μm，宽为100~150μm，源电极、漏电极之间间距为50~100μm，栅电极长为800~1200μm，宽为50~90μm。

作为优选，所述的非晶态氮化镓或氮化铟薄膜晶体管中，沟道层选用n或p型掺杂的非晶态氮化镓或氮化铟薄膜，厚度为10~1000 nm。

与非晶态氮化镓或氮化铟半导体器件相比，本发明非晶态氮化镓或氮化铟薄膜及非晶态氮化镓或氮化铟薄膜半导体器件具有如下优势：

 本发明非晶态氮化镓或氮化铟薄膜及非晶态氮化镓或氮化铟薄膜半导体器件的制备方法简单、制作原材料来源丰富、价格便宜，可以廉价材料为基体制备；本发明非晶态氮化镓或氮化铟薄膜及非晶态氮化镓或氮化铟薄膜半导体器件的制备工艺与微电子加工工艺兼容，不需改变其他现有生产设备，重复性和均匀性高，适于大面积连续生产；本发明的半导体器件可在显示技术、信号转换技术、传感技术等领域得到广泛应用。

附图说明

图1为本发明制备的顶栅结构非晶态氮化镓(铟)薄膜晶体管截面示意图；

1，衬底；2，沟道层；3，源电极；4，栅介质层；5，栅电极；6，漏电极；7，阻隔层。

图2为本发明制备的底栅结构非晶态氮化镓(铟)薄膜晶体管截面示意图；

1，衬底； 2，沟道层；3，源电极；4，栅介质层；5，栅电极；6，漏电极。

具体实施方式

下面结合实施实例对本发明作进一步详细描述，在不违反本发明的主旨下，本发明应不限于实例实验具体明示内容。

所用原材料如下：

硅烷：纯度为99.9%；氢气：纯度为99.9%；三甲基镓、三乙基镓、三甲基铟、三甲基镁等，纯度为99.99%；氧气：纯度为99.95%；氮气：纯度为99.95%。

本发明非晶态氮化镓、氮化铟薄膜晶体管制备方法包括如下步骤：

1．                衬底准备：其中衬底选用硅片、玻璃或柔性亚聚酰胺。

2．                栅电极、源电极、漏电极制备，选用金属及导电的金属氧化物材料。

3．                栅介质层制备，其中栅介质层选择二氧化硅或氮化硅。

4．                沟道层制备，其中沟道层选用n型或p型非晶态氮化镓或非晶态氮化铟薄膜。

5．                采用二氧化硅或氮化硅薄膜作为阻隔层。

实施例1：顶栅结构非晶态氮化镓薄膜晶体管的制备

1．对玻璃衬底进行清洗。

2．利用PECVD技术生长厚度为300 nm的氮化硅薄膜，作为器件阻隔层；通入流量为40 sccm的氨气，流量为20 sccm的硅烷；控制反应腔室压强为35 Pa；调整射频功率为100 W；衬底温度为250℃

3．利用PECVD技术生长厚度为100 nm的n型非晶态氮化镓薄膜作为沟道层；通入流量为30 sccm的三甲基镓，流量为40 sccm的氨气，流量为5sccm的三甲基镁作为n型掺杂剂；反应压强为100 Pa，调整射频功率为150 W，衬底温度200℃。

4．利用磁控溅射技术生长厚度为150 nm的IZO源电极和漏电极；源电极、漏电极生长时，采用掩模技术生成图案，掩模板宽度为150 mm，长度为1000 mm，电极间距为80mm；溅射过程中，采用Ar为保护气体，流量为14sccm，利用IZO靶材制备了IZO薄膜，其中反应压强为0.5 Pa，射频功率为100W，溅射沉积15 min。

5．利用PECVD技术采用自对准工艺，在源电极和漏电极之间生长长度为1000mm，宽度为70mm，厚度为800 nm的二氧化硅，作为栅介质层；通入流量为40 sccm的氧气，流量为10 sccm的硅烷；控制反应腔室压强为35 Pa；调整射频功率为100 W；衬底温度为室温25℃。

6．利用磁控溅射技术生长厚度为200 nm、长度为1000 mm，宽度为70 mm的ITO栅电极；溅射过程中，采用Ar为保护气体，流量为14sccm，利用ITO靶材制备了ITO 薄膜，其中反应压强为0.5 Pa，射频功率为100W，溅射沉积20 min。

实施例2：底栅结构非晶态氮化铟薄膜晶体管的制备

1. 利用磁控溅射技术生长厚度为100 nm的ITO栅电极，溅射过程中，采用Ar为保护气体，流量为14sccm，利用ITO靶材制备ITO 薄膜，其中反应压强为0.5 Pa，射频功率为100W，溅射沉积10 min。

2．利用PECVD技术结合掩模工艺在栅电极表面生长长度为1000mm，宽度为360mm，厚度为800 nm的二氧化硅，作为栅介质层，通入流量为40 sccm的氧气，流量为10 sccm的硅烷；控制反应腔室压强为35 Pa；调整射频功率为100 W；衬底温度为室温25℃。

3．利用PECVD技术结合掩模工艺在栅介质层表面生长长度为1000mm，宽度为360mm厚度为80 nm的p型非晶态氮化铟薄膜作为沟道层，通入流量为30 sccm的三甲基铟，流量为40 sccm的氨气，流量为3sccm的硅烷作为p型掺杂剂；调整射频功率为150 W，衬底温度200℃，反应压强为50 Pa。

4．利用磁控溅射技术生长厚度为200 nm的IZO源电极和漏电极，电极生长时，采用掩模技术生成图案，长度为1000 mm，宽度为150 mm，电极间距为60 mm；溅射过程中，采用Ar为保护气体，流量为14sccm，利用IZO靶材制备了IZO薄膜，其中反应压强为0.5 Pa，射频功率为100W，溅射时间为20min。

实施例3：顶栅结构非晶态氮化镓薄膜晶体管的制备

1．对玻璃衬底进行严格清洗。

2．利用PECVD技术在玻璃衬底上生长厚度为800nm的二氧化硅作为阻隔层，通入流量为40 sccm的氧气，流量为10 sccm的硅烷；控制反应腔室压强为35 Pa；调整射频功率为100 W；衬底温度为50℃。

3. 利用PECVD技术生长厚度为40 nm的n型非晶态氮化镓薄膜作为沟道层；通入流量为30 sccm的三甲基镓，流量为40 sccm的氨气，流量为5sccm的三甲基镁作为n型掺杂剂；调整射频功率为150 W，衬底温度200℃；反应压强为150 Pa。

4．利用磁控溅射技术生长厚度为100 nm的IZO源电极和漏电极，电极生长时，采用掩模技术生成图案，长度为1200 mm，宽度为150 mm，间距为100mm；溅射过程中，采用Ar为保护气体，流量为14sccm，利用IZO靶材制备了IZO薄膜，其中反应压强为0.5 Pa，射频功率为100W。

5．利用PECVD技术采用自对准工艺，在源电极和漏电极之间生长长度为1000mm，宽度为90mm，生长厚度为800 nm的二氧化硅，作为栅介质层，通入流量为40 sccm的氧气，流量为10 sccm的硅烷；控制反应腔室压强为35 Pa；调整射频功率为100 W；衬底温度为100℃。

6．利用磁控溅射技术生长厚度为200 nm，长度为1000mm，宽度为90mm的ITO栅电极；溅射过程中，采用Ar为保护气体，流量为14sccm，利用ITO靶材制备了ITO 薄膜，其中反应压强为0.5 Pa，射频功率为100W。

实施例4：顶栅结构非晶态氮化铟薄膜晶体管的制备

1．对玻璃衬底进行严格清洗。

2．利用PECVD技术在玻璃衬底上生长厚度为1000nm的二氧化硅作为阻隔层，通入流量为40 sccm的氧气，流量为10 sccm的硅烷；控制反应腔室压强为35 Pa；调整射频功率为100 W；衬底温度为50℃。

3. 利用PECVD技术生长厚度为50 nm的n型非晶态氮化铟薄膜作为沟道层；通入流量为30 sccm的三甲基铟，流量为40 sccm的氨气，流量为5sccm的三甲基镁作为n型掺杂剂；调整射频功率为150 W，衬底温度200℃；反应压强为200 Pa。

4．利用磁控溅射技术生长厚度为150 nm的IZO源电极和漏电极，电极生长时，采用掩模技术生成图案，长度为1000 mm，宽度为120 mm，电极间距为80 mm，溅射过程中，采用Ar为保护气体，流量为14sccm，利用IZO靶材制备了IZO薄膜，其中反应压强为0.5 Pa，射频功率为100W。

5．利用PECVD技术采用自对准工艺，在源电极和漏电极之间生长长度为1000mm，宽度为70mm，生长厚度为1000 nm的二氧化硅，作为栅介质层，通入流量为40 sccm的氧气，流量为10 sccm的硅烷；控制反应腔室压强为35 Pa；调整射频功率为100 W；衬底温度为室温100℃。

6．利用磁控溅射技术生长厚度为100 nm、长度为1000mm，宽度为70mm的ITO栅电极，溅射过程中，采用Ar为保护气体，流量为14sccm，利用ITO靶材制备了ITO 薄膜，其中反应压强为0.5 Pa，射频功率为100W，溅射沉积10min。

实施例5：底栅结构非晶态氮化铟薄膜晶体管的制备

1． 利用磁控溅射技术生长厚度为100 nm的ITO栅电极，溅射过程中，采用Ar为保护气体，流量为14sccm，利用ITO靶材制备了ITO 薄膜，其中反应压强为0.5 Pa，射频功率为100W。

2．利用PECVD技术结合掩模工艺在栅电极表面生长长度为1000mm，宽度为260mm，厚度为800 nm的二氧化硅，作为栅介质层，通入流量为40 sccm的氧气，流量为10 sccm的硅烷；控制反应腔室压强为35 Pa；调整射频功率为100 W；衬底温度为室温。

3．利用PECVD技术结合掩模工艺在栅介质层表面生长长度为1000mm，宽度为260mm厚度为30 nm的p型非晶态氮化铟薄膜作为沟道层，通入流量为30 sccm的三甲基铟，流量为40 sccm的氨气，流量为10 sccm的硅烷作为p型掺杂剂；调整射频功率为150 W，衬底温度200℃。

4．利用磁控溅射技术生长厚度为200 nm的IZO源电极和漏电极，电极生长时，采用掩模技术生成图案，长度为1000 mm，宽度为100 mm，电极间距为60mm；溅射过程中，采用Ar为保护气体，流量为14sccm，利用IZO靶材制备了IZO薄膜，其中反应压强为0.5 Pa，射频功率为100W。