[發明專利]一種金屬氧化物半導體及薄膜晶體管與應用

在審

• 申請號: 202011314502.3
• 申請日: 2020-11-20
• 公開（公告）號: CN112582466A
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 徐苗;徐華;李民;彭俊彪;王磊;鄒建華;陶洪
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01L29/24
• 分類號: H01L29/24;H01L29/786
• 代理公司: 廣州市越秀區哲力專利商標事務所(普通合伙) 44288
• 代理人: 楊艷

本發明公開了一種金屬氧化物半導體，其為：在含銦的金屬氧化物MO?In₂O₃半導體中，分別摻入至少兩種的稀土元素R的氧化物和稀土元素R’的氧化物，形成In_xM_yR_nR’_mO_z半導體材料。本發明通過在含銦的金屬氧化物中引入稀土元素R和R’的氧化物，分別作為載流子控制，以及光穩定性增強的作用，通過利用稀土元素R的氧化物中極高的氧斷鍵能，進而有效控制半導體內的載流子濃度，同時，利用稀土離子半徑和氧化銦中的銦離子半徑相當的特性，且稀土元素R’離子中4f軌道結構和銦離子的5s軌道能形成高效的電荷轉換中心，以提高其電學穩定性，特別是光照下的穩定性。本發明還提供基于該金屬氧化物半導體的薄膜晶體管與應用。

技術領域

本發明涉及半導體制造領域，尤其涉及平板顯示和探測器應用中的金屬氧化物半導體薄膜晶體管背板制作所用的材料和器件結構，具體涉及金屬氧化物半導體及薄膜晶體管與應用。

背景技術

對于現有的金屬氧化物半導體體系中，銦離子(In³⁺)由于具有相對較大的離子半徑，使得在多元金屬氧化物中更高幾率的軌道交疊而確保了其高效的載流子傳輸通道，其5s軌道是主要的電子輸運通道。但是，一方面，由于銦與氧成鍵后In-O的斷鍵能較低，所以在單純的氧化銦(In₂O₃)薄膜中存在大量的氧空位缺陷。而氧空位是導致金屬氧化物薄膜晶體管穩定性劣化的主要原因。另一方面，常規濺射成膜的氧化銦中存在較多的晶格失配，使得薄膜的載流子遷移率較低，限制了其在高性能薄膜晶體管中的應用。通常，需要摻雜與In³⁺離子數量相當的Ga³⁺離子對氧空位進行調控。同時，為了保證半導體器件的性能均勻性，需要金屬氧化物半導體薄膜保持非晶薄膜結構。

由于ZnO的晶體結構與In₂O₃和Ga₂O₃兩種材料的晶體結構差異較大，所以在薄膜中摻入與In離子數量相當Zn離子，可以抑制材料結晶，保持薄膜的非晶結構。因此，在目前的金屬氧化物半導體材料中應用最為廣泛的就是IGZO(In:Ga:Zn＝1:1:1mol)。

但是，IGZO亦存在一些問題：Ga³⁺和Zn²⁺離子的大量加入，大大稀釋了In³⁺的濃度，進而減少了5s軌道的交疊程度，降低了電子遷移率。

另外，IGZO等材料在靠近價帶處存在大量的陷阱態。這導致了即使在光照能量低于禁帶寬度時，亦會產生光生載流子，導致當前的金屬氧化物半導體存在光穩定性差的問題。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種遷移率相對較高、光穩定性強的金屬氧化物半導體，其為一種新的共摻雜策略，利用稀土氧化物特殊的4f電子軌道特點，能在高In比的氧化物薄膜中，實現較高遷移率的同時，控制載流子濃度，并獲得光穩定性強的金屬氧化物半導體。

本發明的新的共摻雜策略是在含銦的金屬氧化物中，同時引入兩種作用不同的稀土元素R的氧化物材料和稀土元素R’的氧化物材料，其中，稀土元素R的氧化物為載流子濃度控制劑，稀土元素R’的氧化物為光穩定劑，即稀土元素R’的氧化物為電荷轉換中心，其作用原理如下：