[发明专利]一种氮磷氧锌薄膜及其制备方法和薄膜晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体薄膜的制备，特别是涉及一种氮磷氧锌薄膜及其制备方法和薄膜晶体管。

背景技术

在近十几年的时间中，以硅材料TFT为驱动单元的液晶显示器件以其体积小、重量轻、品质高等一系列优点获得了迅速发展，并成为主流的信息显示终端。然而随着人们对显示器件分辨率、响应速度、稳定性等性能要求的提高，以硅材料为有源层的TFT暴露出一系列的问题，a-Si TFT背板由于其自身迁移率较低(一般小于0.5cm²/(V·s)，无法实现高分辨率显示；低温多晶硅(LTPS)TFT技术生产工艺复杂，设备投资高，面板面临均匀性差、良品率低、生产成本居高不下等难以克服的问题，其在大尺寸FPD显示领域的进一步发展受到较大限制。

与目前在液晶显示器有源驱动矩阵中广泛采用的硅TFT相比，氧化物半导体TFT具有如下优势：（1）场效应迁移率较高；（2）开关比高；（3）制备工艺温度低；（4）可以制作大面积非晶薄膜，均匀性好，具有良好一致的电学特性；（5）受可见光影响小，比非晶硅薄膜晶体管稳定；(6)可以制作成透明器件。在平板显示领域，氧化物TFT技术几乎满足包括AMOLED驱动、快速超大屏幕液晶显示、3D显示等诸多显示模式的所有要求。在柔性显示方面，衬底材料不能承受高温，而氧化物TFT的制备工艺温度低，与柔性衬底兼容，因而金属氧化物TFT具备较大优势。

但在典型的a-IGZO中，大量正离子的随机分布了形成电子的散射机构，导致载流子迁移率相对较低。且由于在a-IGZO薄膜中存在大量氧空位，在光照和负偏压的条件下，其带隙中施主型氧空位的存在将会导致器件的稳定性变差，因此该薄膜晶体管存在稳定性问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种氮磷氧锌薄膜及其制备方法和薄膜晶体管，其制作的薄膜晶体管能获得最大载流子迁移率

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种氮磷氧锌薄膜，其组成为Zn_xP_yO_1-x-y-zN_z，其中，55%≤x≤65%，1%≤y≤10%，10%≤z≤22%，各原子的原子个数百分比之和为100%。

优选地，59%≤x≤61%，5%≤y≤8%，12%≤z≤15%。

本发明采用非氧的阴离子代替氧化锌中氧离子，进而调整氧化物的价带，消除氧化物半导体中的氧空位，且由于阳离子几乎都是Zn²⁺，不同于传统的a-IGZO中，存在大量阳离子的随机分布，降低了载流子传输中的势垒。实验表明：

含锌的半导体本质上是靠阴离子缺位（缺陷）导电，如果锌含量少了，导电能力降低，如果锌含量过高，说明存在大量缺陷，越来越接近导体，性能好的TFT用薄膜需要在这之间找到平衡，获得导电能力适当，缺陷不太多，本发明中当原子锌小于55%时，薄膜的载流子迁移率降低，当原子锌大于65%时，薄膜呈多晶结构且具有大量生长缺陷。

在溅射过程中，立方形Zn₃N₂、六角形ZnO和属于四方晶系的Zn₃P₂间存在生长竞争关系，有助于氮氧磷锌非晶相的形成，然而当氮、磷含量减小时，薄膜呈现ZnO的多晶结构，当氧气含量减小时，薄膜呈现Zn₃N₂或Zn₃P₂的多晶结构。所以，当原子磷小于1%时，薄膜容易形成多晶结构，薄膜的缺陷多，当原子磷大于10%时，薄膜呈多晶结构且具有大量生长缺陷，相应的薄膜晶体管漏电流大；当原子氮小于10%时，薄膜容易形成多晶结构，薄膜的缺陷多，当原子氮大于22%时，薄膜呈多晶结构且具有大量生长缺陷，相应的薄膜晶体管漏电流大。

本发明中的氮磷氧锌薄膜呈非晶态，其表面平整，采用Accent HL5500PC型Hall效应测试系统测试载流子浓度和Hall迁移率。优化条件下的载流子浓度较低～10¹⁷cm^-3，Hall迁移率达到49cm²/Vs。