[發明專利]一種二維非晶氧化物半導體與薄膜晶體管及其制備方法

有效

• 申請號: 201810670232.6
• 申請日: 2018-06-26
• 公開（公告）號: CN110459601B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 呂建國;岳士錄;陸波靜;葉志鎮
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01L29/24
• 分類號: H01L29/24;H01L21/02;H01L29/786;H01L21/336
• 代理公司: 杭州宇信知識產權代理事務所(普通合伙) 33231
• 代理人: 梁群蘭

1.一種二維非晶氧化物半導體，其特征在于，所述的二維非晶氧化物半導體的厚度0.7～3.1nm，室溫下禁帶寬度在3.86～5.12eV之間，且隨著厚度的減小，禁帶寬度明顯增加，表現出二維量子約束效應，為二維材料，具有非晶態結構；所述的非晶氧化物半導體含有氧元素以及兩種或兩種以上的金屬元素，所述金屬元素的金屬離子均具有(n-1)d¹⁰ns⁰的電子結構和球形電子云形狀，其中n≥4。

2.根據權利要求1所述的一種二維非晶氧化物半導體，其特征在于，所述的二維非晶氧化物半導體含有兩種金屬元素，所述金屬元素為Zn、In、Sn或Cu中的任兩種。

3.根據權利要求1所述的一種二維非晶氧化物半導體，其特征在于，所述的二維非晶氧化物半導體含有兩種以上金屬元素，所述金屬元素選自Zn、Ga、Ge、In、Sn或Cu中的不同元素。

4.根據權利要求2所述的一種二維非晶氧化物半導體，所述的非晶氧化物半導體為ZnSnO。

5.根據權利要求3所述的一種二維非晶氧化物半導體，所述的非晶氧化物半導體為ZnGeSnO或ZnGeSnInO。

6.一種薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，所述薄膜晶體管以權利要求4所述的非晶氧化物半導體ZnSnO為溝道層，包括如下步驟：

1)二維ZnSnO非晶薄膜的制備：采用脈沖激光沉積方法，以ZnSnO陶瓷片為靶材，其中Zn:Sn的原子比為1:0.5；以表面沉積有100nm的SiO₂層的重摻n型Si為襯底；以高純O₂為工作氣體，氣體壓強5Pa；以KrF準分子激光熔蒸靶材，激光器參數為248nm、200mJ、5Hz；生長時間為5～25s，通過調節生長時間來控制脈沖數量和薄膜沉積時間，室溫生長二維ZnSnO非晶薄膜；生長結束后，在空氣中400℃下退火10min；制得所述的非晶氧化物半導體ZnSnO；

2)以非晶氧化物半導體ZnSnO為溝道層，利用掩模版，在溝道層上沉積一層100nm的Al金屬薄膜，作為薄膜晶體管的源極和漏極，定義溝道層的寬度和長度分別為1000μm和100μm，同時，以襯底中所述重摻n型Si作為柵極，以襯底中所述100nm的SiO₂層為柵極絕緣層，制得相應的二維ZnSnO薄膜晶體管。

7.一種薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，所述薄膜晶體管以權利要求5所述的非晶氧化物半導體ZnGeSnO為溝道層，包括如下步驟：

1)二維ZnGeSnO非晶薄膜的制備：采用脈沖激光沉積方法，以ZnGeSnO陶瓷片為靶材，其中Zn:Ge:Sn的原子比為1:0.05:1；以表面沉積有100nm的SiO₂層的重摻n型Si為襯底；以高純O₂為工作氣體，氣體壓強8Pa；以KrF準分子激光熔蒸靶材，激光器參數為248nm、200mJ、5Hz；生長時間為20～50s，通過調節生長時間來控制脈沖數量和薄膜沉積時間，室溫生長二維ZnGeSnO非晶薄膜；生長結束后，在空氣中400℃下退火10min；制得所述的非晶氧化物半導體ZnGeSnO；

2)以非晶氧化物半導體ZnGeSnO為溝道層，利用掩模版，在溝道層上沉積一層100nm的Al金屬薄膜，作為薄膜晶體管的源極和漏極，定義溝道層的寬度和長度分別為1000μm和100μm，同時，以襯底中所述重摻n型Si作為柵極，以襯底中所述100nm的SiO₂層為柵極絕緣層，制得相應的二維ZnGeSnO薄膜晶體管。

8.一種薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，所述薄膜晶體管以權利要求5所述的非晶氧化物半導體ZnGeSnInO為溝道層，包括如下步驟：

1)二維ZnGeSnInO非晶薄膜的制備：采用分子束外延方法，以ZnGeSnInO為源材料，其中Zn:Ge:Sn:In的原子比為1:0.05:0.5:0.5；以表面沉積有100nm的SiO₂層的重摻n型Si為襯底；以高純O₂為工作氣體，氣體壓強1Pa；以高能激光熔蒸靶材，生長時間為5～60s，通過調節生長時間、脈沖數量、束流參數，室溫生長二維ZnGeSnInO非晶薄膜；生長結束后，在空氣中400℃下退火10min；制得所述的非晶氧化物半導體ZnGeSnInO；

2)以非晶氧化物半導體ZnGeSnInO為溝道層，利用掩模版，在溝道層上沉積一層100nm的Al金屬薄膜，作為薄膜晶體管的源極和漏極，定義溝道層的寬度和長度分別為1000μm和100μm，同時，以襯底中所述重摻n型Si作為柵極，以襯底中所述100nm的SiO₂層為柵極絕緣層，制得相應的二維ZnGeSnInO薄膜晶體管。