一种高性能氧化镍基P型薄膜晶体管及其制备方法

摘要

本发明公开了一种高性能氧化镍基P型薄膜晶体管，该薄膜晶体管包括栅极绝缘层及本征NiO薄膜层，在本征NiO薄膜层和栅极绝缘层之间还设有Li:NiO薄膜层，其一种具体结构的制备方法是在带有氧化层的重掺硅片衬底上依次沉积Li:NiO薄层和NiO薄膜，最后在这种复合薄膜上蒸镀金电极，获得高性能氧化镍基P型薄膜晶体管。本发明通过在NiO薄膜和栅极绝缘层之间插入一薄层高导电的Li:NiO薄膜，可得到开关比10

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜晶体管的制备领域，具体涉及一种高性能的氧化镍基P型薄膜晶体管及其制备方法。

背景技术

透明氧化物半导体兼具可见光透明和电流调控的优势，广泛应用于显示和照明领域。透明氧化物基的薄膜晶体管已经被广泛研究，有望在下一代有源矩阵显示器、有机LED显示器和其他电子电路中广泛应用。

由于N型氧化物半导体具有光透过率高和电子迁移率高的特点，目前部分研究主要关注于N型氧化物半导体，而形成互补电路是同时需要N型和P型晶体管的。导致许多透明电子应用。P型氧化物半导体仍然面临着迁移率低、稳定性差等缺点，目前报道的Cu₂O、SnO、Ag₂O、WO₃、NiO等P型薄膜晶体管的性能都远低于N型薄膜晶体管。由于没有高性能的P型氧化物半导体和P型薄膜晶体管，严重限制氧化物透明电子的应用和发展。

NiO是一种本征p型半导体材料，具有功函数高(W_f＝5.4eV)和光学带隙宽(E_g＝3.6～4.0eV)的特点，可透过可见光。NiO的P型是稳定的，因为NiO自发的形成Ni空位显现P型特征。虽然本征NiO的电导率很低，可以通过掺杂Li或提高Ni³⁺浓度有效的提高NiO的电导率。NiO薄膜可以通过物理或化学的方法制备，例如磁控溅射、脉冲激光沉积、电子束蒸发、溶胶-凝胶、喷雾热分解、原子层沉积。

然而目前的NiO基P型薄膜晶体管性能较差，很难实现应用，急需提供一种方法显著提高NiO基P型薄膜晶体管性能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术制备的NiO基P型薄膜晶体管很难实现应用，提供一种高性能氧化镍基P型薄膜晶体管及其制备方法，本发明通过在NiO薄膜和栅极绝缘层之间插入一薄层高导电的Li:NiO薄膜，可显著提高NiO基薄膜晶体管的开关比和饱和电流，其开关比高达10⁶～10⁷。

本发明的高性能氧化镍基P型薄膜晶体管，包括栅极绝缘层及本征NiO薄膜层，在本征NiO薄膜层和栅极绝缘层之间还设有Li:NiO薄膜层，Li:NiO薄膜层厚度是本征NiO薄膜层厚度的20～40％。

上述技术方案中，所述的Li:NiO薄膜层中Li与Ni的原子百分比为3％-10％。

所述的本征NiO薄膜层的厚度为30-150nm。

一种高性能氧化镍基P型薄膜晶体管，其具体结构为：自下而上依次包括重掺硅层、二氧化硅层、Li:NiO层、NiO层、Au电极，Li:NiO层中Li与Ni的原子百分比为3％-10％，且该层厚度是NiO层厚度的20～40％。

制备上述的高性能氧化镍基P型薄膜晶体管的方法，包括如下步骤：

1)依次将纯NiO靶材、Li:NiO靶材、清洗干净的带有100～300nm厚氧化层的重掺硅片衬底安装于PLD腔体内，调节衬底与靶材间距为5～5.5cm；

2)抽真空至2×10^-3Pa以下，衬底加热至温度在300～600℃范围内；通入氧气，调节腔体内压力至氧气压力在3～20Pa范围内；

3)激光脉冲能量控制在200～300mJ范围，频率为2～5Hz；

4)依次沉积Li:NiO薄膜和本征NiO薄膜，使Li:NiO薄膜的厚度是本征NiO薄膜厚度的20～40％；

5)样品取出后，在NiO薄膜上蒸镀80～150nm厚的金电极，在N₂保护下500～700℃快速退火100～300秒。

一种高性能氧化镍基P型薄膜晶体管，也可采用倒置的结构，具体为：包括NiO层，在NiO层下设有Au电极，NiO层上依次覆盖有Li:NiO层与栅极绝缘层，其中Li:NiO层中Li与Ni的原子百分比为3％-10％，且该层厚度是NiO层厚度的20～40％。

本发明的有益效果在于：

1.本发明中，高导电的薄层Li:NiO薄层位于本征NiO薄膜和栅极绝缘层之间，构造了一种全新的薄膜晶体管结构。

2.通过采用这种栅极绝缘层/Li:NiO/NiO结构的薄膜晶体管显著提高了NiO基P型薄膜晶体管开关比，保持截止电流10^-10A不变的情况下，饱和电流从10^-6A提高到10^-2A。

3.本发明所述Li:NiO薄层和本征NiO薄膜生长条件一致，可以在生长完Li:NiO薄层后直接生长NiO薄膜，制备方法简单。

附图说明

图1为一种高性能氧化镍基P型薄膜晶体管的结构示意图；

图2为另一种高性能氧化镍基P型薄膜晶体管的结构示意图；

图3为Li:NiO/NiO薄膜表面形貌SEM图片；

图4为Li:NiO/NiO薄膜断面形貌SEM图片；

图5为Li:NiO/NiO薄膜的XRD图片；

图6为本发明薄膜晶体管和纯NiO薄膜的薄膜晶体管I-V测试的转移曲线对比图。

具体实施方式

本发明的高性能氧化镍基P型薄膜晶体管，包括栅极绝缘层及本征NiO薄膜层，在本征NiO薄膜层和栅极绝缘层之间还设有Li:NiO薄膜层，Li:NiO薄膜层厚度是本征NiO薄膜层厚度的20～40％。本征NiO薄膜层的厚度通常为30-150nm，Li:NiO薄膜层中Li与Ni的原子百分比为3％-10％。本发明具体可采用两种结构实现，分别如图1和图2所示。下面结合实施例对图1结构的薄膜晶体管的制备方法做详细说明。所采用的硅片衬底均为重掺硅，电阻率达0.01Ω·cm。实施例1.

(1)依次将纯NiO靶材、Li:NiO靶材(Li:Ni原子比6％)、清洗干净的带有250nm厚氧化层的硅片衬底安装于PLD腔体内，调节衬底与靶材间距为5.2cm。

(2)抽真空至2×10^-3Pa以下，衬底加热至温度在450℃；通入氧气，调节腔体内压力至氧气压力为5Pa。

(3)激光脉冲能量设定为300mJ，频率为5Hz。

(4)沉积薄膜，对Li:NiO靶材预溅射10min，打开挡板沉积到衬底上7min30s，关闭挡板：对NiO靶材预溅射10min，打开挡板沉积到衬底上20min，关闭挡板。5Pa氧压条件下60min降温至30℃，取出。所得的Li:NiO/NiO薄膜表面、断面形貌SEM图片分别如图3、4所示，其XRD图如图5所示。

(5)在NiO薄膜上蒸镀100nm厚的金电极。在N₂保护下600℃快速退火180秒。

实施例2.

(1)依次将纯NiO靶材、Li:NiO靶材(Li:Ni原子比3％)、清洗干净的带有300nm厚氧化层的硅片衬底安装于PLD腔体内，调节衬底与靶材间距为5.5cm。

(2)抽真空至2×10^-3Pa以下，衬底加热至温度在450℃；通入氧气，调节腔体内压力至氧气压力为10Pa。

(3)激光脉冲能量设定为200mJ，频率为5Hz。

(4)沉积薄膜，对Li:NiO靶材预溅射10min，打开挡板沉积到衬底上7min30s，关闭挡板：对NiO靶材预溅射10min，打开挡板沉积到衬底上20min，关闭挡板。10Pa氧压条件下60min降温至30℃，取出。

(5)在NiO薄膜上蒸镀100nm厚的金电极。在N₂保护下600℃快速退火180秒。

实施例3.

(1)依次将纯NiO靶材、Li:NiO靶材(Li:Ni原子比10％)、清洗干净的带有100nm厚氧化层的硅片衬底安装于PLD腔体内，调节衬底与靶材间距为5.5cm。

(2)抽真空至2×10^-3Pa以下，衬底加热至温度在300℃；通入氧气，调节腔体内压力至氧气压力为10Pa。

(3)激光脉冲能量设定为300mJ，频率为2Hz。

(4)沉积薄膜，对Li:NiO靶材预溅射10min，打开挡板沉积到衬底上15min，关闭挡板：对NiO靶材预溅射10min，打开挡板沉积到衬底上40min，关闭挡板。10Pa氧压条件下60min降温至30℃，取出。

(5)在NiO薄膜上蒸镀100nm厚的金电极。在N₂保护下600℃快速退火120秒。

实施例1的对比例1.

(1)依次将纯NiO靶材、清洗干净的带有250nm厚氧化层的硅片衬底安装于PLD腔体内，调节衬底与靶材间距为5.2cm。

(2)抽真空至2×10^-3Pa以下，衬底加热至温度在450℃；通入氧气，调节腔体内压力至氧气压力为5Pa。

(3)激光脉冲能量设定为300mJ，频率为5Hz。

(4)沉积薄膜，对NiO靶材预溅射10min，打开挡板沉积到衬底上27min30s，关闭挡板。5Pa氧压条件下60min降温至30℃。

(5)在NiO薄膜上蒸镀100nm厚的金电极。在N₂保护下600℃快速退火180秒。

图6为实施例1、对比例1所获得的薄膜晶体管的性能对比曲线，可以看出，本发明所得的薄膜晶体管保持截止电流10^-10A不变的情况下，饱和电流从10^-6A提高到10^-2A，其开关比高达10⁶～10⁷。