复合金属氧化物半导体及薄膜晶体管与应用
阅读说明：本技术 复合金属氧化物半导体及薄膜晶体管与应用 (Composite metal oxide semiconductor, thin film transistor and application ) 是由 徐苗 徐华 吴为敬 陈为峰 王磊 彭俊彪 于 2019-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了复合金属氧化物半导体,该复合金属氧化物半导体为金属氧化物中掺有稀土氧化物,该复合金属氧化物可以在较低的氧化镱或氧化镨掺杂浓度下,有效抑制薄膜中的氧空位浓度,同时,其迁移率可以保持在较高的值；关键的,形成的薄膜能避免光照对I-V特性和稳定性的影响,大幅度提高金属氧化物半导体器件在光照下的稳定性。本发明还提供基于该复合金属氧化物半导体的薄膜晶体管与应用。(The invention discloses a composite metal oxide semiconductor, which is formed by doping rare earth oxide in metal oxide, wherein the composite metal oxide can effectively inhibit the concentration of oxygen vacancy in a film under the lower doping concentration of ytterbium oxide or praseodymium oxide, and meanwhile, the mobility of the composite metal oxide semiconductor can be kept at a higher value; the formed film can avoid the influence of illumination on I-V characteristics and stability, and greatly improve the stability of the metal oxide semiconductor device under illumination. The invention also provides a thin film transistor based on the composite metal oxide semiconductor and application thereof.)
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及平板显示和探测器应用中的金属氧化物半导体薄膜晶体管背板制作所用的材料和器件结构，具体涉及复合金属氧化物半导体及薄膜晶体管与应用。
背景技术
对于现有的金属氧化物半导体体系中，In3+离子的5s轨道是主要的电子输运通道。但是由于In离子与O离子成键后的断键能较低，所以在单纯的In2O3薄膜中存在大量的氧空位缺陷。而氧空位是导致金属氧化物薄膜晶体管稳定性劣化的主要原因。通常，需要掺杂与In3+离子数量相当的Ga3+离子对氧空位进行调控。
同时，为了保证半导体器件的性能均匀性，需要金属氧化物半导体薄膜保持非晶薄膜结构。ZnO的晶体结构与In2O3和Ga2O3两种材料的晶体结构差异较大，所以在薄膜中掺入与In离子数量相当Zn离子，可以抑制材料结晶，保持薄膜的非晶结构。因此在目前的金属氧化物半导体材料中应用最为广泛的就是IGZO(In:Ga:Zn＝1:1:1mol)。但是，IGZO存在问题就是Ga3+和Zn2+离子的大量加入，大大稀释了In3+的浓度，进而减少了5s轨道的交叠程度，降低了电子迁移率。
另外，IGZO等材料在靠近价带处存在大量的陷阱态。这导致了即使在光照能量低于禁带宽度时，亦会产生光生载流子，同时，在靠近价带位置产生光生空穴。而这些光生空穴极易在电场的作用下，注入到栅绝缘层中，进而导致常规的氧化物半导体存在光稳定性差的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种迁移率相对较高、光稳定性强的复合金属氧化物半导体。该复合金属氧化物半导体通过向金属氧化物中掺杂少量的氧化镱或氧化镨稀土氧化物，以有效抑制薄膜中的氧空位浓度，同时，还能形成光生载流子的复合中心，以提高半导体在光照下的稳定性。
本发明的目的之二在于提供包含该复合金属氧化物半导体的薄膜晶体管。
本发明的目的之三在于提供该薄膜晶体管的应用。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
复合金属氧化物半导体，该复合金属氧化物半导体为金属氧化物中掺有稀土氧化物；
所述金属氧化物为氧化锌、氧化镓中的一种或两种与氧化铟形成的金属氧化物半导体；所述稀土氧化物为氧化镨和/或氧化镱；稀土氧化物中镨和/或镱与金属氧化物的摩尔比为0.002-0.4:1；
所述复合金属氧化物半导体存在光生载流子快速复合中心。
即本发明提供的复合金属氧化物半导体是基于氧化铟的复合半导体，氧化镨或氧化镱可以在较低的掺杂量实现对氧空位的抑制，可以使半导体在具有较高的迁移率的基础上，同时提高半导体在光照条件下的稳定性。
进一步地，所述金属氧化物为氧化锌、氧化镓中的一种与氧化铟形成的复合金属氧化物，铟与锌或与镓的摩尔比范围为5:1-4。示例性地，可以选择氧化铟镓，如In2O3:Ga2O3＝5:4，其未掺杂条件下，迁移率为14.8cm2·V-1·S-1，其掺杂0.1摩尔比的镨或镱的后，迁移率仍保持在9.5cm2·V-1·S-1；或是氧化铟锌，如In2O3:ZnO＝2.5:1，其具有较高的迁移率，大于50cm2·V-1·S-1，其可掺杂高达0.2摩尔比的镱或镨，迁移率仍在33cm2·V-1·S-1以上；保持较高的电流开关比的基础上，可获得良好的稳定性和较弱的光生电流特征。
进一步地，所述金属氧化物半导体为氧化锌、氧化镓和氧化铟形成的复合金属氧化物，且In、Ga、Zn三种金属元素的原子比例关系如下：In/(In+Zn)≥0.76，0≤Ga/In≤0.8。示例性的，可以选择氧化铟镓锌，In:Ga:Zn＝3.170:1.585:1(mol)，氧化镨或氧化镱的可掺杂摩尔比高，在掺杂高达0.1摩尔比的镱或镨，迁移率仍高于10cm2·V-1·S-1；或是In:Ga:Zn＝3.170:2.536:1(mol)。
较优选地，稀土氧化物中镨和/或镱与金属氧化物的掺杂摩尔比为0.02-0.40：1。即在该掺杂范围内，可使用氧化镨或氧化镱表现出对其光生电流特性较佳的抑制，同时，又能使金属氧化物半导体操持较佳的迁移率。更优选地，稀土氧化物中镨和/或镱与金属氧化物的掺杂摩尔比为0.10-0.20:1。在该范围内，复合金属氧化物半导体的迁移率相对较高、电流开关比在108的数量级左右，同时光稳定性非常好。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
薄膜晶体管，包括有源层，所述有源层由上述的复合金属氧化物半导体经物理气相沉积工艺、化学气相沉积工艺、原子层沉积工艺、激光沉积工艺或者溶液法制备而成。
即本发明还提供基于该复合金属氧化物半导体制得的有源层形成的薄膜晶体管，该薄膜晶体管在光照和非光照条件下开启电压变化△Von小于2V。或进一步地，△Von小于1V。
进一步地，所述有源层经磁控溅射工艺制备而成，溅射气压为0.1-0.6Pa，溅射氛围中氧气体积占比为10-50％，衬底温度为室温至300℃。具体地，采用单靶材溅射或共溅射的方式，在该溅射条件下，可以沉积得到质地均匀、附着力佳、薄膜质地佳的有源层。
优选地，采用单靶材磁控溅射方式制备薄膜晶体管的有源层。
进一步地，还包括基板、栅极、栅绝缘层、源漏极和钝化层，所述薄膜晶体管采用刻蚀阻挡型结构、背沟道刻蚀型结构或自对准型结构。
进一步地，所述钝化层为氧化硅薄膜，或氮化硅和氧化硅组成的叠层结构。
进一步地，基板可以是刚性的碱玻璃、无碱玻璃、石英玻璃和硅基板，或者是柔性的聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚矾醚(PES)或者金属薄片。
进一步地，所述栅极可以是透明导电氧化物、石墨烯、金属-氧化物半导体叠层或金属-金属叠层。其中，透明导电氧化物包括ITO、AZO、GZO、IZO、ITZO、FTO；金属-氧化物半导体叠层包括ITO/Ag/ITO、IZO/Ag/IZO；金属-金属叠层包括Mo/Al/Mo、Ti/Al/Ti。
栅极的制备方法可以是溅射法、电镀、热蒸发和其他的沉积方式，优选溅射沉积方式，因为该方式制备的薄膜和基板的粘附性好、均匀性优异、可以大面积制备。
其中，栅极上的栅绝缘层可以是氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化钽、氧化铪、氧化钇或高分子有机膜层中的一种或两种以上的叠设。其中，栅绝缘层可以是多种绝缘膜叠设而成，一方面可以形成更好的绝缘特性，另一方面可以改善有源层和栅绝缘层的界面特性。而且，该栅绝缘层的制备方式多样，可以是物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积、激光沉积、阳极氧化或溶液法等方式制备。
另外，还需注意的是，在制备背沟道刻蚀型结构的器件中，源漏电极和有源层需要有合适的刻蚀选择比，否则无法实现器件的制备。较优的刻蚀液为双氧水基刻蚀液，主要是因为本发明的金属氧化物半导体材料能有效抵抗湿法双氧水基刻蚀液的刻蚀，其和金属(如钼、钼合金、钼/铜、钛/铜等)具有很高的刻蚀选择比，该金属氧化物半导体层基本不受刻蚀液的影响，所制备的器件性能优异，稳定性好。
本发明的目的之三采用如下技术方案实现：
所述的薄膜晶体管在显示面板或探测器中的应用。
本发明的原理如下：
本发明的复合金属氧化物半导体，通过使用与O2-离子之间的键能高达753.0(ΔHf298,kJ/mol)的氧化镨和715.1(ΔHf298,kJ/mol)的氧化镱对氧化铟基半导体进行掺杂，相对于传统的氧化铟镓锌半导体中需使用大浓度的镓来抑制氧空位浓度，本发明中的，只需要少量的稀土离子的掺杂，便可以有效的控制氧化物半导体薄膜中的氧空位浓度。因此，在相当数量的氧空位浓度条件下，其掺杂浓度可以大幅降低，有利于提高In离子5s轨道的重叠程度，提高材料的迁移率。相比于传统的IGZO材料，迁移率仅为10cm2/vs，新型的镨离子和镱离子掺杂的金属氧化物半导体，器件迁移率可以高达50cm2/vs。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种氧化镨或氧化镱掺杂氧化铟半导体，可以在相对较低的掺杂浓度下，有效减少薄膜中的氧空位，本发明的氧化铟半导体可以是氧化铟锌、氧化铟镓或氧化铟镓锌半导体；相比于传统的氧化铟镓锌半导体，器件的迁移率基本上不受影响；
本发明提供的复合金属氧化物半导体，掺杂氧化镨或氧化镱后，会在能带的费米能级附近引入杂质能级，在靠近费米能级±0.3eV范围内形成光生载流子的复合中心。这些复合中心，能提供光生载流子的快速复合通道，避免其对I-V特性以及稳定性的影响。进而大幅提高金属氧化物半导体器件在光照下的稳定性。
附图说明
图1为实施例9和实施例10的薄膜晶体管结构示意图；
图2为实施例11的薄膜晶体管结构示意图；
图3为实施例12的薄膜晶体管结构示意图；
图4为实施例9的光生电流特性和负偏压光照射稳定性图；
图5为实施例10的光生电流特性和负偏压光照射稳定性图；
图6为实施例11的光生电流特性和负偏压光照射稳定性图；
图7为实施例12的光生电流特性和负偏压光照射稳定性图；
图8为对实施例7中的未掺杂(y＝0)和掺杂(y＝0.1)镨的氧化铟镓锌薄膜进行PL光谱和寿命测试的表征结果；
图中，各附图标记：01、基板；02、栅极；03、栅绝缘层；04、有源层；05、刻蚀阻挡层；06-1、源极；06-2、漏极；07、钝化层；08、缓冲层；09、间隔层。
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
以下是本发明具体的实施例，在下述实施例中所采用的原材料、设备等除特殊限定外均可以通过购买方式获得。
实施例1：氧化镱掺杂氧化铟镓半导体材料
一组金属氧化物半导体材料，该组金属氧化物半导体材料为：在氧化铟镓(IGO)中掺入氧化镱作为光稳定剂，形成氧化镱掺杂氧化铟镓(Yb:IGO)的半导体材料。
其中，氧化铟镓中，In、Ga的摩尔比为In:Ga＝5:4；在氧化镱掺杂氧化铟镓中，镱与氧化铟镓的摩尔比依次为0.002、0.020、0.100、0.200、0.40和0.60。
实施例2：氧化镱掺杂氧化铟锌半导体材料
一组金属氧化物半导体材料，该组金属氧化物半导体材料为：在氧化铟锌(IZO)中掺入氧化镱作为光稳定剂，形成氧化镱掺杂氧化铟锌(Yb:IZO)的半导体材料。
在氧化铟锌中，In、Zn的摩尔比为In:Zn＝5:1；在氧化镱掺杂氧化铟锌中，镱与氧化铟锌的摩尔比分别为0.002、0.020、0.100、0.200、0.40和0.60。
实施例3：氧化镨掺杂氧化铟镓锌半导体材料
一种金属氧化物半导体材料，该金属氧化物半导体材料为：在氧化铟镓锌(IGZO)中掺入氧化镨作为光稳定剂，形成氧化镨掺杂氧化铟镓锌(Pr:IGZO)的半导体材料。
在氧化铟镓锌中，In、Ga、Zn的摩尔比为In:Ga:Zn＝3.170:1.585:1；在氧化镨掺杂氧化铟镓锌中，镨与氧化铟镓锌的摩尔比分别为0.002、0.020、0.100、0.200、0.40和0.60。
实施例4：氧化镨掺杂氧化铟镓锌半导体材料
一组金属氧化物半导体材料，该组金属氧化物半导体材料为：在氧化铟镓锌(IGZO)中掺入氧化镨作为光稳定剂，形成氧化镨掺杂氧化铟镓锌(Pr:IGZO)的半导体材料。
在氧化铟镓锌中，In、Ga、Zn的摩尔比为In:Ga:Zn＝3.170:2.536:1；在氧化镨掺杂氧化铟镓锌中，镨与氧化铟镓锌的摩尔比分别为0.002、0.020、0.100、0.200、0.40和0.60。
实施例5：氧化镱掺杂氧化铟镓薄膜
一组金属氧化物半导体薄膜，该组金属氧化物半导体薄膜由实施例1的氧化镱掺杂氧化铟镓半导体材料经磁控溅射而成。
该组金属氧化物半导体薄膜采用氧化铟镓(IGO，y＝0)和氧化镱掺杂的氧化铟镓(Yb:IGO，y＝0.60)两个陶瓷靶材，采用共溅射的方式制备薄膜。通过调整两个靶材的溅射功率从而实现不同成分比例的薄膜制备。
其中氧化铟镓靶材的成分比例为In2O3:Ga2O3＝5:4(mol)，标记为In(5)Ga(4)；氧化镱掺杂的氧化铟镓靶材比例为Yb:In(5)Ga(4)＝0.60:1.00(mol)，也即，通过调整以上两个靶材的溅射功率可以获得一系列镱含量的薄膜，本实施例中镱和氧化铟镓的掺杂摩尔比y分别等于0.002、0.020、0.100、0.200、0.40和0.60。
薄膜的厚度均为40nm，溅射气氛中氧含量为20％，溅射气压为0.5Pa；薄膜在图案化前经高温烘箱350℃空气气氛下退火30分钟。薄膜的成分比例通过X射线光电子能谱并结合透视电镜等表征结果进行标定，部分极少含量的薄膜通过溅射功率推理得知。
实施例6：氧化镱掺杂氧化铟锌薄膜
一组金属氧化物半导体薄膜，该组金属氧化物半导体薄膜由实施例2的氧化镱掺杂氧化铟锌半导体材料经磁控溅射而成。
该组氧化镱掺杂氧化铟锌薄膜是利用氧化铟锌(IZO，y＝0)和氧化镱掺杂的氧化铟锌(Yb:IZO，y＝0.60)两个陶瓷靶材，采用共溅射的方式制备薄膜。通过调整两个靶材的溅射功率从而实现不同成分比例的薄膜制备。其中氧化铟锌靶材的成分比例为In2O3:ZnO＝2.5:1(mol)，标记为In(5)Zn(1)；氧化镱掺杂的氧化铟锌靶材比例为Yb:In(5)Zn(1)＝0.60:1.00(mol)，也即，通过调整以上两个靶材的溅射功率可以获得一系列镱含量的薄膜，本实施例中镱和氧化铟锌的掺杂摩尔比y分别等于0.002、0.020、0.100、0.200、0.40和0.60。
需要指出的是，薄膜的厚度均为20nm，溅射气氛中氧含量为20％，溅射气压为0.5Pa；薄膜在图案化前经高温烘箱350℃空气气氛下退火30分钟。薄膜的成分比例通过X射线光电子能谱并结合透视电镜等表征结果进行标定，部分极少含量的薄膜通过溅射功率推理得知。
实施例7：氧化镨掺杂氧化铟镓锌薄膜
一组金属氧化物半导体薄膜，该组金属氧化物半导体薄膜由实施例3的氧化镨掺杂氧化铟镓锌半导体材料经磁控溅射而成。
该组氧化镨掺杂氧化铟镓锌薄膜是利用氧化铟镓锌(IGZO，y＝0)和氧化镨掺杂的氧化铟镓锌(Pr:IGZO，y＝0.60)两个陶瓷靶材，采用共溅射的方式、通过调整两个靶材的溅射功率从而实现不同成分比例的薄膜制备。其中氧化铟镓锌靶材的成分比例为In:Ga:Zn＝3.170:1.585:1(mol)，标记为In(3.170)Ga(1.585)Zn(1)；氧化镨掺杂的氧化铟镓锌靶材比例为Pr:In(3.170)Ga(1.585)Zn(1)＝0.60:1.00(mol)，也即，通过调整以上两个靶材的溅射功率可以获得一系列镨含量的薄膜，镨掺杂氧化铟镓锌的摩尔比y分别等于0.002、0.020、0.100、0.200、0.40和0.60。
该组氧化镨掺杂氧化铟镓锌薄膜的厚度均为30nm，溅射气氛中氧含量为20％，溅射气压为0.5Pa，衬底温度设置为200℃；薄膜在图案化前经高温烘箱350℃空气气氛下退火30分钟。薄膜的成分比例通过X射线光电子能谱并结合透视电镜等表征结果进行标定，部分极少含量的薄膜通过溅射功率推理得知。
实施例8：氧化镨掺杂氧化铟镓锌薄膜
一组金属氧化物半导体薄膜，该组金属氧化物半导体薄膜由实施例4的氧化镨掺杂氧化铟镓锌半导体材料经溶液法制备而成。
该组氧化镨掺杂氧化铟镓锌薄膜是通过溶液法制备，具体方式如下：
(1)首先，按比例称取一定量的硝酸铟、硝酸锌和硝酸镓(三者原子摩尔比为In:Ga:Zn＝3.170:2.536:1mol)，配置氧化铟镓锌基体溶液，标记为In(3.170)Ga(2.536)Zn(1)，也即y＝0；然后再根据具体的实验需要掺入一定量的硝酸镨，配置不同镨含量的镨掺杂氧化铟镓锌混合溶液；本实施例中，镨和In(3.170)Ga(2.536)Zn(1)的掺杂摩尔比y分别等于0.002、0.020、0.100、0.200、0.40和0.60。其次，分别在各混合溶液中加入乙醇胺、醋酸和溶剂乙二醇单甲醚，于常温下搅拌12h，静置老化12h，过滤得到前驱体溶液(淡黄色透明溶液，其中铟、镓、锌和镨的总浓度为0.08mol/L，乙醇胺浓度为1.2mol/L，醋酸浓度为1.4mol/L)；
(2)将需要制备有源层的衬底先用UV处理30min，提高表面黏附力，然后将片子放在旋涂机上，使用移液枪移取60μL步骤(1)得到的前驱体溶液，滴涂在片子上，静止20s；启动旋涂机，前期转速为500rpm，时间为3s，后期转速为3000rpm，时间为40s，使前驱体溶液均匀涂覆在片子上；然后先在120℃下前烘退火10min，再在450℃下后烘退火120min，得到镨掺杂的氧化铟镓锌薄膜(命名为Pr:IGZO)，薄膜厚度均为40nm。
实施例9：薄膜晶体管
一组薄膜晶体管，采用刻蚀阻挡型结构，其结构示意图如图1所示，设置有：基板01、位于基板01之上的栅极02、位于基板01和栅极02之上的栅绝缘层03、覆盖在栅绝缘层03上表面并与栅极02对应的有源层04、刻蚀阻挡层05、相互间隔并与有源层04的两端电性相连的源极06-1和漏极06-2以及钝化层07。
其中，有源层04为实施例5所述的薄膜形成的有源层04；
基板01为玻璃衬底，其上覆盖有缓冲层氧化硅；栅极02的材料为磁控溅射方式制备的钼铝钼(Mo/Al/Mo)金属叠层结构，厚度为50/200/50nm；
栅绝缘层03为化学气相沉积方式制备的氮化硅(Si3N4)和氧化硅(SiO2)的叠层，厚度为250/50nm；其中氮化硅在下层和栅极02接触，氧化硅在上层和有源层04接触。
刻蚀阻挡层05和钝化层07的材料为化学气相沉积方式制备的氧化硅(SiO2)薄膜，厚度均为300nm，沉积温度为300℃。
源极06-1以及漏极06-2的材料为金属钼铝钼(Mo/Al/Mo)叠层结构，厚度为50/200/50nm。
实施例10：薄膜晶体管
一组薄膜晶体管，采用刻蚀阻挡型结构，其结构示意图如图1所示，设置有：基板01、位于基板01之上的栅极02、位于基板01和栅极02之上的栅绝缘层03、覆盖在栅绝缘层03上表面并与栅极02对应的有源层04、刻蚀阻挡层05、相互间隔并与有源层04的两端电性相连的源极06-1和漏极06-2、钝化层07。
其中，有源层04为实施例6所述的薄膜形成的有源层04；
基板01为玻璃衬底，其上覆盖有缓冲层氧化硅。栅极02的材料为磁控溅射方式制备的钼铝钼(Mo/Al/Mo)金属叠层结构，厚度为50/200/50nm。
栅绝缘层03为化学气相沉积方式制备的氮化硅(Si3N4)和氧化硅(SiO2)的叠层，厚度为250/50nm；其中氮化硅在下层和栅极02接触，氧化硅在上层和有源层04接触。
刻蚀阻挡层05和钝化层07的材料为化学气相沉积方式制备的氧化硅(SiO2)薄膜，厚度均为300nm，沉积温度为230℃。
源极06-1以及漏极06-2的材料为金属钼铝钼(Mo/Al/Mo)叠层结构，厚度为50/200/50nm。
实施例11：薄膜晶体管
一组薄膜晶体管，为背沟道刻蚀型结构，其结构示意图如图2所示，设置有：基板01、位于基板01之上的栅极02、位于基板01和栅极02之上的栅绝缘层03、覆盖在栅绝缘层03上表面并与栅极02对应的有源层04、相互间隔并与有源层04的两端电性相连的源极06-1和漏极06-2、钝化层07。
基板01为硬质无碱玻璃衬底，其上覆盖有缓冲层氧化硅。
栅极02的材料为磁控溅射方式制备的金属铜/钼(Cu/Mo)叠层结构，厚度为250/20nm。
栅绝缘层03为化学气相沉积方式制备的氮化硅(Si3N4)和氧化硅(SiO2)的叠层，厚度为250/50nm，其中氮化硅在下层和栅极02接触，氧化硅在上层和有源层04接触。
有源层04为实施例7得到的薄膜；
源极06-1以及漏极06-2的材料为金属铜/钼(Cu/Mo)叠层结构，厚度为250/20nm，其采用商用的双氧水基刻蚀液进行图案化，其对有源层04的损伤较小，而且无明显的刻蚀残余。
钝化层07的材料为化学气相沉积方式制备的氧化硅(SiO2)，厚度为300nm，沉积温度为250℃。
实施例12：薄膜晶体管
一组薄膜晶体管，为自对准型结构，其结构示意图如图3所示，设置有：基板01、缓冲层08、有源层04、位于有源层04之上的栅绝缘层03以及栅极02、覆盖在有源层04和栅极02上表面的间隔层09、在间隔层09之上并与有源层04的两端电性相连的源极06-1和漏极06-2。
基板01为硬质玻璃衬底。
缓冲层08为等离子增强化学气相沉积方式制备的氧化硅。
有源层04的材料为实施例8的薄膜。
栅绝缘层03为氧化硅，厚度为300nm；栅极02为磁控溅射方式制备的铜/钼(Cu/Mo)叠层结构，厚度为200/20nm。
间隔层09为的氧化硅/氮化硅的叠层结构，厚度为200/100nm。
源极06-1以及漏极06-2的材料为磁控溅射方式制备的铜/钼(Cu/Mo)叠层结构，厚度为200/20nm。
在实施例9-12中，薄膜晶体管的各功能层的材质和制备方法如下所示：
本发明中的基板没有特别限制，可以使用本领域中公知的基板。如：硬质的碱玻璃、无碱玻璃、石英玻璃、硅基板等；亦可为可弯曲的聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚矾醚(PES)或者金属薄片等。
本发明中的栅极材料没有特别限定，其可在本领域公知的材料中任意选取。如：透明导电氧化物(ITO、AZO、GZO、IZO、ITZO、FTO等)、石墨烯、金属(Mo、Al、Cu、Ag、Ti、Au、Ta、Cr、Ni等)及其合金、以及金属和氧化物(ITO/Ag/ITO、IZO/Ag/IZO等)、金属和金属叠设(Mo/Al/Mo、Ti/Al/Ti等)形成的复合导电薄膜。
栅极薄膜的制备方法可以是溅射法、电镀、热蒸发和其他的沉积方式，优选溅射沉积方式，因为该方式制备的薄膜和基板的粘附性好、均匀性优异、可以大面积制备。
这里，具体用哪种结构的栅电极需要根据所需要达到的技术参数而定，如透明显示中需要用到透明电极，其可由单层的ITO作为栅电极，亦可由ITO/Ag/ITO作为栅电极。另外，特殊领域的应用中需要有高温工艺，那栅电极可以选择可以抵抗高温的金属合金薄膜。
本发明中的栅绝缘层材料没有特别限定，其可在本领域公知的材料中任意选取。如：氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化钽、氧化铪、氧化钇、以及高分子有机膜层等。
需要指出的是，这些栅绝缘层薄膜的组分可以与理论上的化学计量比不一致。另外，栅绝缘层可以是多种绝缘膜叠设而成，一方面形成更好的绝缘特性，另一方面可以改善有源层和栅绝缘层的界面特性。而且，该栅绝缘层的制备方式多样，可以是物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积、激光沉积、阳极氧化或溶液法等方式制备。
实施例9-12的有源层的厚度范围可以选自5nm至100nm。形成有源层的金属氧化物半导体薄膜的载流子浓度小于5×1019cm-3。
有源层薄膜的图案化工艺采用光刻工艺、并结合湿法刻蚀的方式进行。湿法刻蚀采用的刻蚀液包括：磷酸、硝酸和冰醋酸的混合液，商用的草酸基刻蚀液，稀盐酸刻蚀液，以及氢氟酸等刻蚀液。
源漏电极薄膜的图案化工序采用光刻工艺、并结合湿法或干法的刻蚀方式进行。湿法刻蚀采用的刻蚀液包括：磷酸、硝酸和冰醋酸的混合液或者基于双氧水的混合液。干法刻蚀示例性的，可以选择等离子刻蚀工艺，刻蚀气体包括氯基或氟基气体。
金属氧化物半导体材料采用真空磁控溅射工艺过程中，可选单靶材溅射或多靶材共溅射，优选为单靶材溅射。
因为单靶材溅射可以提供重复性更好、更稳定的薄膜，而且薄膜的微观结构更易控制；而不至于像共溅射薄膜中，溅射粒子在重新组合的过程中会受到更多因素的干扰。
真空溅射沉积过程中，电源可以选取射频(RF)溅射、直流(DC)溅射或交流(AC)溅射，优选工业中常用的交流溅射。
溅射沉积过程中，溅射气压为0.1Pa-10 Pa可选，优选为0.2Pa-0.7Pa。
溅射气压太低时，无法维持稳定的辉光溅射；溅射气压太高时，溅射粒子在向基板沉积的过程中受到的散射明显增加，能量损耗增加，到达基板后动能降低，形成的薄膜缺陷增加，从而严重影响器件的性能。
溅射沉积过程中，氧分压为0-1Pa可选，优选为0.001-0.5Pa，更优选为0.01-0.1Pa。氧体积占比优选为0.1-0.5，更优选为0.2-0.3。
通常而言，溅射制备氧化物半导体的过程中，氧分压对薄膜的载流子浓度有着直接的影响，而且会引入一些氧空位相关的缺陷。过低的氧含量，可能会造成薄膜中氧严重失配，载流子浓度增加；而过高的氧空位会引起较多的弱结合键，降低器件的可靠性。
溅射沉积过程中，衬底温度优选为室温至300℃，更优选为200-300℃。
有源层薄膜沉积的过程中，一定的衬底温度可以有效改善溅射粒子到达基板后的结合方式，降低弱结合键的存在几率，提升器件的稳定性。当然，这一效果亦可以通过后续的退火处理等工艺来实现同样的功效。
有源层的厚度为2-100nm可选，优选为5-50nm，更优选为20-40nm。
本发明中的源漏电极材料没有特别限定，在不影响实现各种所需结构器件的前提下其可在本领域公知的材料中任意选取。如：透明导电氧化物(ITO、AZO、GZO、IZO、ITZO、FTO等)、石墨烯、金属(Mo、Al、Cu、Ag、Ti、Au、Ta、Cr、Ni等)及其合金、以及金属和氧化物(ITO/Ag/ITO、IZO/Ag/IZO等)、金属和金属叠设(Mo/Al/Mo、Ti/Al/Ti等)形成的复合导电薄膜。
源漏电极薄膜的制备方法可以是溅射法、热蒸发和其他的沉积方式，优选溅射沉积方式，因为该方式制备的薄膜和基板的粘附性好、均匀性优异、可以大面积制备。
这里，需要特别说明的是，在制备背沟道刻蚀型结构的器件中，源漏电极和有源层需要有合适的刻蚀选择比，否则无法实现器件的制备。
本发明实施例中湿法刻蚀的刻蚀液可以是基于工业界常规金属的刻蚀液(如：双氧水基刻蚀液)，主要是因为本发明的一种金属氧化物半导体材料能有效抵抗湿法双氧水基刻蚀液的刻蚀，其和金属(如钼、钼合金、钼/铜、钼/钛等)具有很高的刻蚀选择比，该金属氧化物半导体层基本不受刻蚀液的影响，所制备的器件性能优异，稳定性好。
另外，本发明实施例中的干法刻蚀是基于工业界常规的刻蚀气体(如氯基气体，氟基气体等)，其对本发明的氧化物半导体层影响甚微，所制备的器件性能优异，稳定性好。本发明中的钝化层材料没有特别限定，其可在本领域公知的材料中任意选取。如：氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化钽、氧化铪、氧化钇、以及高分子有机膜层等。
需要指出的是，这些绝缘薄膜的组分可以与理论上的化学计量比不一致。另外，栅绝缘层可以是多种绝缘膜叠设而成，一方面形成更好的绝缘特性，另一方面可以改善有源层和钝化层的界面特性。而且，该钝化层的制备方式多样，可以是物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积、激光沉积或溶液法等方式制备。
下面，进一步对本发明实施的薄膜晶体管制备过程中的处理工艺进行说明。
相对而言，溅射制备的薄膜由于有高能等离子体的参与，所沉积薄膜的速率一般也较快；薄膜在沉积过程中没有足够的时间执行弛豫过程，这会造成一定比例的错位和应力残留于薄膜中。这需要后期的加热退火处理，而继续达到所需的相对稳态，改善薄膜的性能。
在本发明的实施中，退火处理大都设置在有源层沉积后，以及钝化层沉积后。一方面在有源层沉积后进行退火处理，可以有效改善有源层中的原位缺陷，提高有源层抵抗后续工艺中可能的损伤的能力。另一方面，在后续的钝化层沉积过程中，由于等离子体的参与和活性基团的改性作用，这可能需要一个“激活”的过程，进一步消除界面态和一些施主掺杂等效应。
另外，在本发明的实施中，处理的方式可以不仅仅是加热处理，可以包括等离子体处理界面(如栅绝缘层/半导体界面，有源层/钝化层界面等)。
通过上述的处理工艺可以有效改善器件的性能，提高器件的稳定性。
对于实施例9和10的薄膜晶体管，可以为仅包括基板、栅极、栅绝缘层、有源层、刻蚀阻挡层、源极和漏极、钝化层的封闭结构，也可以进一步包括平坦层、反射电极、像素定义层等，还可以与其它器件集成等。
对于实施例11的薄膜晶体管，可以为仅包括基板、栅极、栅绝缘层、有源层、源极和漏极、钝化层的封闭结构，也可以进一步包括平坦层、反射电极、像素定义层等，还可以与其它器件集成等。
对于实施例12的薄膜晶体管，可以为仅包括基板、有源层、栅绝缘层、栅极、间隔层、源极和漏极的封闭结构，也可以进一步包括钝化层、以及像素定义层等，还可以与其它器件集成等。
实施例9-12得到的薄膜晶体管可以应用于显示面板，该薄膜晶体管用于驱动显示面板中的显示单元。或是应用于探测器，该薄膜晶体管用于驱动探测器的探测单元。
性能检测与效果测试
1、光响应特征表征
采用商用白色LED光源，以5000nits的光照强度，照射实施例9-12的薄膜晶体管器件的有源层04，通过评估光照和无光照条件下器件的转移特性，提取器件开启电压的变化情况来评估其强弱；其中，器件开启电压定义为源漏电极两端电流为10-9A时所对应的栅极电压。光响应特征用光照和无光照条件下器件开启电压变化幅度△Von表示，值越大表明其光生电流特性强，反之则弱。
2、负偏压光照稳定性表征
采用商用白色LED光源，以5000nits的光照强度，照射实施例9-12的薄膜晶体管器件的有源层04，同时在器件的栅极加上-30V的电压，源漏电极两端加0V偏压；通过间隔一段时间后测试器件的转移特性曲线可以得到器件在光照射下的负向偏压稳定性特性。器件特性变化幅度大表明其稳定性差，反之则优。
3、光致发光光谱和寿命测试
从原理上讲，光照射到样品上，被样品吸收，产生光激发过程。光激发导致电子跃迁到较高的激发态，然后在驰豫过程后释放能量，电子回到较低的能级。该过程中的光辐射或者发光就称为光致发光，即PL。采用商用的PL测试系统对本发明中未掺杂和掺杂的薄膜样品进行PL表征，探索光照后薄膜中光生载流子的输运情况。另外，通过对其寿命进行测试表征，进一步评估其复合机制。
实施例9的薄膜晶体管组器件1-7的具体参数和器件性能如下表所示，另外当y＝0.1时器件的光生电流特性和负偏压光照稳定性如图4(a)和4(b)所示。
表1
实施例10的薄膜晶体管组器件1-7的具体参数和器件性能如下表所示，另外当y＝0.1时器件的光生电流特性和负偏压光照稳定性如图5(a)和5(b)所示。
表2
实施例11的薄膜晶体管组器件1-7的具体参数和器件性能如下表所示，另外当y＝0.1时器件的光生电流特性和负偏压光照稳定性如图6(a)和6(b)所示。
表3
实施例12的薄膜晶体管组器件1-7的具体参数和器件性能如下表所示，另外当y＝0.1时器件的光生电流特性和负偏压光照稳定性如图7(a)和7(b)所示。
表4
由表1-4可知，稀土氧化物的掺入对器件性能有非常明显的影响，未掺入稀土氧化物的器件(对应y＝0)具有相对较高的迁移率，较小的亚阈值摆幅和较负的阈值电压，但是其光生电流特性非常强，即在有光照射条件下器件特性发生非常明显的变化，表现在阈值电压负向漂移，亚阈值摆幅退化严重。但是，在掺入一定量的氧化镱或氧化镨后器件的光生电流特性得到了明显的抑制。当然，随着镨或镱含量的增加，器件的迁移率等特性也进一步退化，光响应特征△Von减小，光生电流特性进一步改善。当过量的镨或镱掺入后，器件的迁移率明显退化，虽然器件的光生电流特性极弱，但是这极大地限制了其应用的领域。因此，在实际应用中需要权衡二者的关系，选择适当的掺入量。从表1-4中可知，稀土氧化物掺入金属氧化物半导体的摩尔比，即y值，与阈值电压呈、亚阈值摆幅、稳定性呈正相关，与迁移率、电流开关比、光生电流特征呈负相关；
根据图4-7可知，在掺入一定量的稀土氧化镨或氧化镱后，器件的光生电流特性和负偏压光照稳定性都非常优异，极大地提升了其在实际应用中的潜力。
图8为对本发明中实施例7中的未掺杂(y＝0)和掺杂(y＝0.1)镨的氧化铟镓锌薄膜进行PL光谱和寿命测试的表征结果。由图8(a)可知，未掺杂样品的发射光谱强度较弱，掺杂镨后强度整体进一步降低。由图8(b)可知，根据其寿命测试结果表明，载流子寿命未有明显变化，都为几个纳秒。以上可推测出薄膜中载流子的驰豫过程主要为非辐射跃迁的复合过程，也即薄膜中存在光生载流子快速复合中心。
从综合性能来考虑，从表1可知，氧化镱掺入氧化铟镓半导体薄膜形成的有源层中，当y为0.02-0.40时，器件的综合性能较佳，更优地，当y为0.02-0.20时，器件的综合性能更佳，当y为0.1-0.20时，器件的综合性能最佳；由表2可知，氧化镱掺杂氧化铟锌半导体薄膜形成的有源层中，当y为0.02-0.40时，器件的综合性能较佳，更优地，当y为0.02-0.20时，器件的综合性能更佳，当y为0.10-0.20时，器件的综合性能最佳；由表3可知，氧化镨掺杂氧化铟镓锌半导体薄膜形成的有源层中，当y为0.02-0.40时，器件的综合性能较佳，当y为0.02-0.20时，器件的综合性能更佳，当y为0.10-0.20时，器件的综合性能最佳；由表4可知，氧化镨掺杂氧化铟镓锌半导体薄膜形成的有源层中，当y为0.02-0.40时，器件的综合性能较佳，当y为0.02-0.20时，器件的综合性能更佳，当y为0.10-0.20时，器件的综合性能最佳。
总的来说，本发明中，稀土氧化物掺杂入金属半导体材料中的摩尔比优选为0.02-0.40，更优选的为0.02-0.20，最优选的为0.10-0.20。在最优选的状态下，器件的阈值电压低于4V，亚阈值摆幅低于0.40V/decade，电流开关比在108至109数量级之间，光生电流特征弱，稳定性优异。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。