硼化镧掺杂的氧化物半导体材料及其应用

摘要

本发明公开了一种硼化镧掺杂的氧化物半导体材料及应用。硼化镧掺杂的氧化物半导体材料是在通过氧化锌基材料中掺入硼化镧实现。应用硼化镧掺杂的氧化物半导体材料制备的薄膜晶体管包括基板、栅极、绝缘层、沟道层、源极和漏极；栅极位于基板上部，绝缘层覆盖在栅极上端，沟道层设置在绝缘层上端，源极和漏极分别覆盖在沟道层的两端并且相互间隔；沟道层材料为硼化镧掺杂的氧化物半导体材料。该薄膜晶体管具有载流子迁移率高、关态电流低及开关比高等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种硼化镧掺杂的氧化物半导体材料，该材料作为薄膜晶体管的沟道层材料可以应用在有机发光显示（OLED）、液晶显示（LCD）、电子纸显示等领域，也可以用于集成电路领域。

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。目前用在平板显示的薄膜晶体管的半导体沟道层的材料主要是硅材料，包括非晶硅（a-Si：H）、多晶硅、微晶硅等。然而非晶硅薄膜晶体管具有对光敏感、迁移率低（<1cm²/Vs）和稳定性差等缺点；多晶硅薄膜晶体管虽然具有较高的迁移率，但是由于晶界的影响导致其电学均匀性差，且多晶硅制备温度高和成本高，限制了其在平板显示中的应用；微晶硅制备难度大，晶粒控制技术难度高，不容易实现大面积规模量产。基于氧化物半导体的薄膜晶体管具有载流子迁移率较高（1～100 cm²/Vs）、制备温度低（<400℃，远低于玻璃的熔点）、对可见光透明等优点，在平板显示的TFT基板领域，有替代用传统硅工艺制备的薄膜晶体管的发展趋势。

氧化物半导体材料主要包括氧化锌（ZnO）、氧化铟锌（IZO）等。其中，ZnO的迁移率较低，如果制备成迁移率较高的多晶的ZnO薄膜，则需要较高的温度，但多晶的ZnO薄膜的均匀性和稳定性较差；IZO的热处理温度比较低，迁移率较高，但基于IZO的薄膜晶体管的稳定性不足，阈值电压较负，亚阈值摆幅较大。因此一般需要在IZO中掺入Ga、Al或Ta等以抑制阈值电压的漂移，但是掺入这些元素又会使电子迁移率大大降低。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种新的氧化物半导体材料，这种材料通过在氧化锌基材料中引入新的掺杂物，可以提高迁移率，并提高稳定性；本发明还包括了利用这种新的氧化物半导体材料作为沟道层的薄膜晶体管，这种薄膜晶体管的有源层与绝缘层之间具有良好的接触，具有迁移率高、稳定性好的优点。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种硼化镧掺杂的氧化物半导体材料，是由氧化锌(ZnO)基材料中掺入硼化镧(LaB₆)组成，所述硼化镧与氧化锌基材料的质量比大于0、小于或等于0.1。

所述的氧化锌基材料的化学式为：(MO)_x(In₂O₃)_y(ZnO)_1-x-y，其中MO为Ga₂O₃、Al₂O₃、Ta₂O₅中的一种，0≤x≤0.2，0≤y≤0.8；更优选的方案为0.01≤x≤0.1；0.3≤y≤0.6。

所述的硼化镧与所述氧化锌基材料的质量比更优选的方案为大于或等于0.005、小于或等于0.1。

一种薄膜晶体管，包括：基板、栅极、绝缘层、沟通层、源极、漏极，栅极位于基板之上，绝缘层覆盖在栅极上端，沟道层制备在绝缘层之上，源极和漏极分别位于沟道层的两端，所述沟道层的材料采用所述的硼化镧掺杂的氧化物半导体材料。

本发明硼化镧掺杂的氧化物半导体材料为在氧化锌基材料中掺入硼化镧（LaB_6），因为LaB₆具有n型（电子传输）的特性，所以掺杂后的氧化物半导体材料的电子迁移率可以得到提高；同时因为La具有很弱的电负性（约为1.1，小于In的1.7和Zn的1.6），所以La对氧化锌基材料中的氧（O）的吸引力很强，可以减少氧空位、降低关态电流提高开关比。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

（1）本发明硼化镧掺杂的氧化物半导体材料具有电子迁移率较高，关态电流低，开关比高等特点；

（2）利用本发明的硼化镧掺杂的氧化物半导体材料作为沟道层的薄膜晶体管制备方法简单，温度低，成本低。

附图说明

图1是利用本发明所述的硼化镧掺杂的氧化物半导体材料作为沟道层的薄膜晶体管的截面示意图；

图2是利用本发明所述的硼化镧掺杂的氧化物半导体材料作为沟道层的薄膜晶体管的俯视图；

图3是实施例1~4中的迁移率与硼化镧的掺杂量的关系曲线；

图4是实施例5~8中的迁移率与氧化镓的含量的关系曲线；

图5是实施例9~13中的迁移率与氧化铟的含量的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明做进一步的描述，但需要说明的是，实施例并不构成对本发明要求保护的范围的限定。

提供了一种硼化镧掺杂的氧化物半导体材料，这种材料在氧化锌(ZnO)基材料中掺入硼化镧(LaB₆)。

LaB₆材料具有优良的电子发射性能和稳定的化学性能，所以LaB₆掺杂后的氧化物半导体材料的电子迁移率可以得到提高；同时因为La具有很弱的电负性（约为1.1，小于In的1.7和Zn的1.6），所以La对氧化锌基材料中的氧（O）的吸引力很强，可以减少氧空位，增加稳定性。但是LaB₆的带宽只有2.4，如果LaB₆的掺杂量太多，会影响透光性。

所述的氧化锌基材料的化学式为：(MO)_x(In₂O₃)_y(ZnO)_1-x-y，其中MO为Ga₂O₃、Al₂O₃或者Ta₂O₅中的一种，0≤x≤0.2，0≤y≤0.8。x的更优选的范围是0.01≤x≤0.1；y的更优选的范围是0.3≤y≤0.6。

LaB₆的比例越高，材料的迁移率越高，但是当比例大于0.2时，材料呈现弱导体特征。

因此LaB₆与所述氧化锌基材料的质量比大于0，并且小于或等于0.1，更优选的范围是大于或等于0.005、小于或等于0.1。

所述的硼化镧掺杂的氧化物半导体材料可以作为薄膜晶体管（TFT）的沟道层，这种TFT可以用以驱动LCD或OLED。

图1显示了根据实施方式中所述的硼化镧掺杂的氧化物半导体材料作为沟道层的TFT的结构，其包括：基板10，栅极11位于基板10之上，沟道层13，绝缘层12介于沟道层13和栅极11之间，源极14a和漏极14b分别位于沟道层13的两端。

基板10可以为玻璃、塑料、硅片等，栅极11位于基板10之上，绝缘层12覆盖在栅极11上端；沟道层13制备在绝缘层12之上，并位于栅极11正上方；源极14a和漏极14b分别覆盖在沟道层13的两端并且相互间隔，源极14a和漏极14b的间隔左右两端的距离即为沟道长度（L），源漏电极的前后端的长度即为沟道宽度（W），如图2所示。

沟道层13的制备方法可以为共溅射的方法，也可以为直接溅射的方法，厚度为20~100nm之间，通过掩模或光刻的方法图形化。

共溅射的方法为将LaB₆、MO、In₂O₃以及ZnO四种材料分别制备成四个靶材安装在四个不同靶位上同时溅射，通过调节不同靶位的溅射功率来控制比例不同材料的比例；也可以将MO、In₂O₃以及ZnO三种材料任意符合上述比例的组合制备成靶材，然后将其与LaB₆靶材安装在不同靶位上同时溅射，通过调节不同靶位的溅射功率来控制比例不同材料的比例。

直接溅射的方法为将LaB₆、MO、In₂O₃以及ZnO四种材料按照比例制备在同一个靶材上进行溅射。

栅极11的材料可以是Al、Mo、Cr、Cu、Ni、Ta、Au、Ag、Pt、Ti、ITO等导电材料；可用溅射，真空热蒸发或电子束蒸发等技术制备；厚度为100~500nm，通过掩模或光刻的方法图形化。

绝缘层12的材料可以是金属氧化物，如氧化铝或氧化钽等，也可以是二氧化硅、氮化硅或高分子绝缘材料等；可用电化学氧化、溅射、化学气相沉积（PECVD）、印刷或旋涂的方法制备；厚度为100~1000nm，通过掩模或光刻的方法图形化。

源极14a和漏极14b的材料可以是Al、Mo、Cr、Cu、Ni、Ta、Au、Ag、Pt、Ti、ITO等导电材料；可用溅射，真空热蒸发或电子束蒸发等技术制备；厚度为100~500nm，通过掩模或光刻的方法图形化。

实施例1

所用的氧化锌基材料的化学式为：(Al₂O₃)_0.01(In₂O₃)_0.33(ZnO)_0.66，即x=0.01，y=0.33；所用的LaB₆与(Al₂O₃)_0.01(In₂O₃)_0.33(ZnO)_0.66的质量比为0.005。

上述比例的LaB₆、Al₂O₃、In₂O₃和ZnO粉末混合均匀，再经过成型、烧结、机械加工、打磨等工艺制成陶瓷靶材。

本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层，制备了薄膜晶体管（其结构示意图如图1所示）。其中，基板10的材料为无碱玻璃，厚度为0.4mm；栅极11的材料为Al，通过溅射的方法制备，厚度为300nm；绝缘层12为通过电化学氧化的Al₂O₃，厚度为140nm；沟道层13通过溅射的方法制备，溅射的本底真空度为10^-3Pa，溅射压强为0.3 Pa，功率为110W，所制备的膜的厚度为30nm；源极14a和漏极14b的材料为ITO，通过溅射的方法制备，厚度为250nm，沟道的宽度和长度分别为100μm和10μm，宽长比为10:1。

所制备的晶体管器件性能在空气中测试。所测得的器件的迁移率为11.2 cm²V^-1s^-1，如表一所示。

实施例2

所用的氧化锌基材料与实施例1相同：(Al₂O₃)_0.01(In₂O₃)_0.33(ZnO)_0.66；所用的LaB₆与(Al₂O₃)_0.01(In₂O₃)_0.33(ZnO)_0.66的质量比为0.01。

上述比例的LaB₆、Al₂O₃、In₂O₃和ZnO粉末混合均匀，再经过成型、烧结、机械加工、打磨等工艺制成陶瓷靶材。

本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层，制备了薄膜晶体管，制备方法与实施例1相同。所测得的器件的迁移率为11.5 cm²V^-1s^-1，如表一所示。

实施例3

所用的氧化锌基材料与实施例1相同：(Al₂O₃)_0.01(In₂O₃)_0.33(ZnO)_0.66；所用的LaB₆与(Al₂O₃)_0.01(In₂O₃)_0.33(ZnO)_0.66的质量比为0.05。

上述比例的LaB₆、Al₂O₃、In₂O₃和ZnO粉末混合均匀，再经过成型、烧结、机械加工、打磨等工艺制成陶瓷靶材。

本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层，制备了薄膜晶体管，制备方法与实施例1相同。所测得的器件的迁移率为12.3 cm²V^-1s^-1，如表一所示。

实施例4

所用的氧化锌基材料与实施例1相同：(Al₂O₃)_0.01(In₂O₃)_0.33(ZnO)_0.66；所用的LaB₆与(Al₂O₃)_0.01(In₂O₃)_0.33(ZnO)_0.66的质量比为0.1。

上述比例的LaB₆、Al₂O₃、In₂O₃和ZnO粉末混合均匀，再经过成型、烧结、机械加工、打磨等工艺制成陶瓷靶材。

本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层，制备了薄膜晶体管，制备方法与实施例1相同。所测得的器件的迁移率为14.2 cm²V^-1s^-1，如表一所示。

实施例1~4中的迁移率与硼化镧的掺杂量的关系如图3所示，从图可以看出氧化物半导体的迁移率随着硼化镧的掺杂量的增加而增大，同时关态电流的变化却很少，如表一。

表一

 MOxyLaB迁移率(cm²V^-1s^-1)关态电流（A）实施例1Al₂O₃0.010.330.00511.2~10^-12实施例2Al_>O30.010.330.0111.5~10^-12实施例3Al_>O30.010.330.0512.3~10^-11实施例4Al_>O30.010.330.114.2~10^-11

实施例5

所用的氧化锌基材料的化学式为：(In₂O₃)_0.33(ZnO)_0.67，即x=0，y=0.33；所用的LaB₆与(In₂O₃)_0.33(ZnO)_0.67的质量比为0.005。

上述比例的LaB₆、In₂O₃和ZnO粉末混合均匀，再经过成型、烧结、机械加工、打磨等工艺制成陶瓷靶材。

本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层，制备了薄膜晶体管，制备方法与实施例1相同。所测得的器件的迁移率为15.3 cm²V^-1s^-1，如表二所示。

实施例6

所用的氧化锌基材料的与实施例5相同：(Ga₂O₃)_0.01(In₂O₃)_0.33(ZnO)_0.66，即x=0.01，y=0.33；所用的LaB₆与(Ga₂O₃)_0.01(In₂O₃)_0.33(ZnO)_0.66的质量比为0.005。

上述比例的LaB₆、Ga₂O₃、In₂O₃和ZnO粉末混合均匀，再经过成型、烧结、机械加工、打磨等工艺制成陶瓷靶材。

本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层，制备了薄膜晶体管，制备方法与实施例1相同。所测得的器件的迁移率为12.0 cm²V^-1s^-1，如表二所示。

实施例7

所用的氧化锌基材料的化学式为：(Ga₂O₃)_0.1(In₂O₃)_0.3(ZnO)_0.6，即x=0.1，y=0.3；所用的LaB₆与(Ga₂O₃)_0.1(In₂O₃)_0.3(ZnO)_0.6的质量比为0.005。

上述比例的LaB₆、Ga₂O₃、In₂O₃和ZnO粉末混合均匀，再经过成型、烧结、机械加工、打磨等工艺制成陶瓷靶材。

本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层，制备了薄膜晶体管，制备方法与实施例1相同。所测得的器件的迁移率为6.9 cm²V^-1s^-1，如表二所示。

实施例8

所用的氧化锌基材料的化学式为：(Ga₂O₃)_0.2(In₂O₃)_0.27(ZnO)_0.53，即x=0.2，y=0.27；所用的LaB₆与(Ga₂O₃)_0.2(In₂O₃)_0.27(ZnO)_0.53的质量比为0.005。

上述比例的LaB₆、Ga₂O₃、In₂O₃和ZnO粉末混合均匀，再经过成型、烧结、机械加工、打磨等工艺制成陶瓷靶材。

本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层，制备了薄膜晶体管，制备方法与实施例1相同。所测得的器件的迁移率为4.2 cm²V^-1s^-1，如表二所示。

实施例5~8中的迁移率与氧化镓的含量的关系如图4所示。从图4和表二可以很明显的看出，Ga₂O₃掺杂后，TFT的关态电流可以得到降低，但是其迁移率也随着Ga₂O₃的含量的增多而急剧下降。

表二

 MOxyLaB迁移率(cm²V^-1s^-1)关态电流（A）实施例5-00.330.00515.3~10^-10实施例6Ga₂O₃0.010.330.00512.0~10^-12实施例7Ga₂O₃0.10.30.0056.9~10^-13实施例8Ga₂O₃0.20.270.0054.2~10^-13

    实施例9

所用的氧化锌基材料为氧化锌(ZnO)，即x=0，y=0；所用的LaB₆与ZnO的质量比为0.005。

上述比例的LaB₆和ZnO粉末混合均匀，再经过成型、烧结、机械加工、打磨等工艺制成陶瓷靶材。

本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层，制备了薄膜晶体管，制备方法与实施例1相同。所测得的器件的迁移率为0.1 cm²V^-1s^-1，如表三所示。

实施例10

所用的氧化锌基材料的化学式为：(Ta₂O₅)_0.05(In₂O₃)_0.3(ZnO)_0.65，即x=0.05，y=0.3；所用的LaB₆与(Ta₂O₅)_0.05(In₂O₃)_0.3(ZnO)_0.65的质量比为0.005。

上述比例的LaB₆、Ta₂O₅、In₂O₃和ZnO粉末混合均匀，再经过成型、烧结、机械加工、打磨等工艺制成陶瓷靶材。

本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层，制备了薄膜晶体管，制备方法与实施例1相同。所测得的器件的迁移率为8.2 cm²V^-1s^-1，如表三所示。

实施例11

所用的氧化锌基材料与实施例9相同：(Ta₂O₅)_0.05(In₂O₃)_0.5(ZnO)_0.45，即x=0.05，y=0.5；所用的LaB₆与(Ta₂O₅)_0.05(In₂O₃)_0.5(ZnO)_0.45的质量比为0.005。

上述比例的LaB₆、Ta₂O₅、In₂O₃和ZnO粉末混合均匀，再经过成型、烧结、机械加工、打磨等工艺制成陶瓷靶材。

本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层，制备了薄膜晶体管，制备方法与实施例1相同。所测得的器件的迁移率为12.7 cm²V^-1s^-1，如表三所示。

实施例12

所用的氧化锌基材料与实施例9相同：(Ta₂O₅)_0.05(In₂O₃)_0.8(ZnO)_0.15，即x=0.05，y=0.8；所用的LaB₆与(Ta₂O₅)_0.05(In₂O₃)_0.8(ZnO)_0.15的质量比为0.005。

上述比例的LaB₆、Ta₂O₅、In₂O₃和ZnO粉末混合均匀，再经过成型、烧结、机械加工、打磨等工艺制成陶瓷靶材。

本实施例利用上述制备的靶材作为沟道层，制备了薄膜晶体管，制备方法与实施例1相同。所测得的器件的迁移率为20.8 cm²V^-1s^-1，如表三所示。

实施例9~13中的迁移率与氧化铟的含量的关系如图5所示，从图中可以看出氧化物半导体的迁移率随着In₂O₃ 的含量的增加而增大，但同时关态电流的也大幅增加，如表一。

表三

 MOxyLaB迁移率(cm²V^-1s^-1)关态电流（A）实施例9-000.0050.1~10^-12实施例10Ta₂O₅0.050.330.0058.2~10^-12实施例11Ta₂O₅0.050.50.00512.7~10^-8实施例12Ta₂O₅0.050.80.00520.8~10^-5

综上实施例1~12可以看出，氧化物中的In比例越大，迁移率越高，但是关态电流也越大。通过掺入Ga、Al或Ta等以降低关态电流，但是掺入这些元素又会使电子迁移率大大降低。进一步掺入硼化镧可以再次提高电子迁移率，并且不会明显影响降低关态电流。