[发明专利]用于氧化物薄膜晶体管的半导体层材料铟锌钛氧化物

说明书

技术领域

本发明属于薄膜晶体管技术领域，具体涉及一种可以用于薄膜晶体管半导体层的氧化物材料。

背景技术

薄膜晶体管（Thin Film Transistor, TFT）是半导体层为薄膜结构的场效应晶体管的统称。TFT作为辅助元件被应用于各种显示或传感设备，尤其是在液晶显示器（Liquid Crystal Displays, LCD）中的应用，为LCD达到更高的图像质量和大面积化提供了技术基础。对于新型显示器如有机电致发光显示器（Organic Light Emitting Displays, OLED）和电子纸等，采用TFT技术也可以有效的改进性能。

目前，在LCD应用最为广泛的是非晶硅（α-Si）TFT。这类TFT以α-Si薄膜作为半导体层，可以采用传统薄膜沉积工艺在大面积玻璃基板上制备，因而成本低廉，但其场致迁移率一般小于1 cm²/V·s，而且在电压压力作用下器件的稳定性较差，通常只能用作开关元件。以多晶硅（poly-Si）为半导体层的poly-Si TFT具有比α-Si TFT高1-2个数量级的场致迁移率，在器件稳定性上也更为优越，不但可以用作开关元件，还可以作为驱动元件形成辅助驱动电路，但是制备工艺复杂，成本较高且很难应用于大面积基板。

氧化物TFT是以基于In、Zn、Ga、Sn等金属元素的氧化物作为半导体层的。这类TFT一方面可以采用传统薄膜沉积工艺制备，适用于大面积玻璃基板，另一方面场致迁移率较高，在10 cm²/V·s左右，已有研究表明其稳定性也要优于α-Si TFT，因而被视为一种非常有发展前景的TFT器件。除去上述优势外，氧化物TFT的制备工艺温度也比较低，能够直接在柔软的塑料基板上制备，因而有可能应用于未来的柔性显示面板中。氧化物TFT一般为N型器件，很难像poly-Si TFT那样用于制作互补电路，但是这个问题很大程度上可以通过电路设计来克服。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备工艺简单、成本较高低且能应用于大面积基板的氧化物薄膜晶体管半导体层材料。本发明另一目的是提供一种以这种材料作为沟道层的薄膜晶体管。

本发明提供的氧化物半导体材料，为一种铟锌钛氧化物，即掺有Ti的In、Zn氧化物，这种材料中的Ti、In、Zn分别直接与氧结合，材料呈现为非晶态或者多晶态。

Ti原子的电负性为1.54 eV，低于In和Zn原子的电负性，因而更容易和氧结合。在In、Zn氧化物半导体中，载流子是通过氧缺位形成的，掺入Ti可以有效的减少材料中的氧缺位，降低半导体的载流子浓度。TFT是依靠调制器件半导体层的载流子浓度来工作的，器件的阈值和载流子浓度直接相关，因此基于In、Zn氧化物半导体的TFT中加入Ti可以使器件的阈值正向变化。掺入电负性较低的Ti还相当于在氧化物材料中引入了作用力更强的离子键，可以使半导体材料更为稳定。

在这种掺有Ti的In、Zn氧化物中，In相对于In、Zn、Ti总量的摩尔百分比含量在5%到98%之间，Ti相对于In、Zn、Ti总量的摩尔百分比含量在0.5%到5%之间，Zn的含量根据In、Ti的含量确定。

在这种氧化物半导体中还可以含有I族、II族、III族、IV族、V族元素或者镧系元素中之一种或几种。这种材料可以通过物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）、原子层沉积（Atomic Layer Deposition）或溶液方法等制备成薄膜。例如薄膜可以通过脉冲电子束蒸发掺Ti的In、Zn氧化物陶瓷靶材沉积，或者通过磁控溅射掺Ti的In、Zn氧化物陶瓷靶材沉积，也可以通过对安置于同一腔体内的In₂O₃、ZnO和TiO₂靶材进行多靶共溅射来沉积。