[實(shí)用新型]一種垂直溝道結(jié)構(gòu)雙電層薄膜晶體管

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201720863503.0
• 申請(qǐng)日: 2017-07-17
• 公開（公告）號(hào): CN207038531U
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉玉榮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L29/786
• 分類號(hào): H01L29/786;H01L29/51;H01L21/34
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司44102
• 代理人: 何淑珍

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種垂直溝道結(jié)構(gòu)的雙電層薄膜晶體管。

背景技術(shù)

近年來，薄膜晶體管（TFT）在隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、平板成像、太集成傳感器，特別是在顯示領(lǐng)域作為AMLCD和AMOLED的應(yīng)用使其受到廣泛的關(guān)注和研究。多年來，用于TFT的有源層半導(dǎo)體材料經(jīng)歷了由硅基到氧化物，甚至到有機(jī)物的轉(zhuǎn)變，各類TFT的性能也得到不斷地提高。

近年來，以氧化鋅為代表的氧化物TFT因其具有相對(duì)高的遷移率、透明度高、低溫工藝等諸多優(yōu)勢(shì)，最有希望成為目前廣為應(yīng)用的硅基TFT的最佳替代者。對(duì)于TFT的諸多應(yīng)用，為了達(dá)到更高的集成度，更大的電流密度，傳統(tǒng)的手段主要通過減小TFT的溝道長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)，而垂直溝道結(jié)構(gòu)的TFT因其溝道長(zhǎng)度是由其半導(dǎo)體溝道層的厚度所決定，能輕易實(shí)現(xiàn)超短的溝道長(zhǎng)度，并且不會(huì)象水平溝道TFT那樣溝道長(zhǎng)度受光刻工藝的限制。但常見的垂直溝道結(jié)構(gòu)的TFT大都采用側(cè)柵結(jié)構(gòu)，需要多次光刻和掩膜，工藝復(fù)雜，產(chǎn)業(yè)化實(shí)現(xiàn)成本較高，不利于其在低端電子系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。另外，傳統(tǒng)的TFT器件通常采用氧化物絕緣薄膜作為柵介質(zhì)層，驅(qū)動(dòng)電壓相對(duì)偏高，器件功耗較大，從而限制其在柔性化、便攜式、移動(dòng)式等電子系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

實(shí)用新型內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，超低驅(qū)動(dòng)電壓的垂直溝道結(jié)構(gòu)薄膜晶體管。該器件的優(yōu)勢(shì)包括：第一，該器件采用離子電解質(zhì)作為柵介質(zhì)層，利用電解質(zhì)柵介質(zhì)與有源層界面形成超薄雙電層效應(yīng)，大大提高等效柵介質(zhì)電容，從而大幅度降低器件的工作電壓；第二，該器件采用垂直溝道結(jié)構(gòu)，溝道長(zhǎng)度由溝道層的厚度所決定，不受光刻工藝的限制，尤其是器件進(jìn)入深亞微米后，垂直溝道結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)得越實(shí)用新型顯；第三，該器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低，易于集成和產(chǎn)業(yè)化。

本實(shí)用新型的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。

一種垂直溝道結(jié)構(gòu)的雙電層薄膜晶體管，其自下而上依次包括襯底、柵電極層、電解質(zhì)柵介質(zhì)層、源電極層、半導(dǎo)體溝道層、漏電極，所述柵電極層設(shè)置于所述襯底之上；所述電解質(zhì)柵介質(zhì)層設(shè)置于柵電極層的之上；所述源電極層設(shè)置于電解質(zhì)柵介質(zhì)層之上；所述半導(dǎo)體溝道層設(shè)置于源電極層的上方；所述漏電極設(shè)置于半導(dǎo)體溝道層之上。

進(jìn)一步地，所述電解質(zhì)柵介質(zhì)層部分覆蓋柵電極層；所述源電極層完全覆蓋電解質(zhì)柵介質(zhì)層；所述半導(dǎo)體溝道層部分覆蓋源電極層；所述漏電極層完全覆蓋半導(dǎo)體溝道層。

進(jìn)一步地，所述電解質(zhì)柵介質(zhì)層的厚度為1~5微米，所述電解質(zhì)柵介質(zhì)層為能形成雙電層效應(yīng)的無機(jī)絕緣介質(zhì)膜（如柱狀二氧化硅）或聚離子有機(jī)電解質(zhì)（如聚乙烯胺、牛血清白蛋白、殼聚糖中的一種），但不限于此。

進(jìn)一步地，所述半導(dǎo)體溝道層的厚度為 30~60 納米，所述半導(dǎo)體溝道層為無機(jī)或有機(jī)半導(dǎo)體薄膜。

進(jìn)一步地，所述柵電極層、源電極層和漏電極的材料為 Al、Cu、Ag、Au 或 ITO 導(dǎo)電薄膜中的一種。

進(jìn)一步地，所述柵電極層的厚度為80~100納米；所述源電極層厚度小于20納米，且具有多孔結(jié)構(gòu)；所述漏電極層厚度為100~200納米。

進(jìn)一步地，所述襯底為玻璃襯底或者塑料襯底。

所述的垂直溝道結(jié)構(gòu)的雙電層薄膜晶體管的制備方法，包括以下步驟 ：

(1) 在襯底上沉積導(dǎo)電薄膜作為柵電極層；所述柵電極層的厚度為80~100納米；

(2) 在柵電極層上沉積具有雙電層效應(yīng)的電解質(zhì)材料作為柵介質(zhì)層，所述電解質(zhì)柵介質(zhì)層部分覆蓋柵電極層，所述電解質(zhì)柵介質(zhì)為離子摻雜的無機(jī)絕緣材料或聚離子有機(jī)電解質(zhì)材料；

(3) 在柵介質(zhì)層上沉積一層超薄多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)電膜作為源電極層；所述源電極層部分覆蓋柵介質(zhì)層，所述源電極層的厚度小于20 納米；

(4) 在源電極層上沉積半導(dǎo)體薄膜，形成半導(dǎo)體溝道層；所述溝道層為無機(jī)半導(dǎo)體薄膜或有機(jī)半導(dǎo)體薄膜；

(5) 在半導(dǎo)體溝道層上沉積導(dǎo)電薄膜作為漏電極；所述漏電極的厚度為100~200納米。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

本實(shí)用新型采用具有可動(dòng)離子電解質(zhì)材料作為柵介質(zhì)層，在柵介質(zhì)與有源層界面處形成雙電層效應(yīng)；采用垂直溝道結(jié)構(gòu)，大大縮短溝道長(zhǎng)度，增大電流密度，并且結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。因此，與現(xiàn)有的水平溝道結(jié)構(gòu)的TFT相比，該器件具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，易于3D集成；與現(xiàn)有的垂直溝道結(jié)構(gòu)的TFT相比，該器件的閾值電壓較小，功耗低，工藝更為簡(jiǎn)單，易于低成本產(chǎn)業(yè)化。

附圖說明