[发明专利]硫掺杂的氧化铟半导体薄膜、薄膜晶体管及其制备方法

说明书

本发明提供了一种硫掺杂的氧化铟半导体薄膜、薄膜晶体管及其制备方法，利用水溶液法制备了不同S掺杂量的In‑S‑O薄膜。随着S掺杂量的增加，In‑S‑O薄膜的结构未发生明显改变，所得In‑S‑O薄膜的晶格常数下降，晶粒尺寸减小；而且In‑S‑O薄膜表面均非常光滑，不会对表面粗糙度有明显影响，结晶性良好，原子排列规整，薄膜的质量良好，且薄膜内Osubgt;V/subgt;浓度下降。S掺杂能够形成更加稳定的In‑O‑S‑O‑In金属网络，能够有效降低Insubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;薄膜内Osubgt;V/subgt;浓度。最终，通过S的掺杂能够有效抑制In‑S‑O薄膜氧空位(Osubgt;V/subgt;)，从而有效调控In‑S‑O薄膜中载流子浓度，提升了In‑S‑O薄膜晶体管器件性能。

技术领域

本发明涉及功率半导体技术以及半导体制造领域，尤其涉及一种硫掺杂的氧化铟半导体薄膜、薄膜晶体管及其制备方法。

背景技术

随着移动设备的普及，人们对于便携、超高分辨率、高刷新率、透明柔性的显示面板的需求越发强烈。有源矩阵有机发光二极管显示器(AMOLED)和有源矩阵液晶显示器(AMLCD)的出现，使得TFT作为平板显示器(FPD)中的像素点开关和驱动元件受到研究者们广泛的关注。以硅为基础的薄膜晶体管(Thin-film transistor,TTF)制造已经是非常成熟的工艺，并且广泛用于平板显示器中。然而，这类器件存在一定的限制，诸如光敏性，低迁移率(小于1cm2/V·s)等，于是越来越多的人把注意力集中到金属氧化合物半导体中。金属氧化物TFT具有高的载流子迁移率(10-100cm²/Vs)，较好的大面积均匀性和相当低的制造成本，同时保持良好的透明性和较好的电学稳定性，使其成为最匹配OLED的TFT技术。

In₂O₃具有高迁移率(50cm²/Vs)以及宽带隙(E_g～3.5eV)，被认为是制备TFT材料中最具有潜力的金属氧化物。在实际应用中，TFT需要具备较大的开关比(I_on/I_off)和稳定的电学性能，而In₂O₃薄膜中的过量O_V，使得In₂O₃TFT产生关态电流较高(I_off＝10^-6A)以及器件偏压稳定性较差等问题。因此必须将In₂O₃ TFT进行合适的优化，降低In₂O₃薄膜中O_V的浓度，改善其电学性能，才能实现工业生产推广。

研究表明可以通过添加合适的掺杂剂抑制O_V产生，从而提高In₂O₃ TFT性能。掺杂剂要求SEP低于In(-0.34V)，电负性低于In(1.78)，掺杂剂-氧键能高于In-O(320kJ/mol)。低SEP被认为是评价掺杂剂与氧结合能力的主要参数。掺杂剂与氧之间的电负性差异大，这有助于形成稳定的金属-氧键。掺杂剂-氧键的键能大小定义为破键反应的标准焓变，被认为是有助于提升TFT稳定性。研究者尝试了添加多种掺杂剂，但大多数都会急剧恶化TFT的载流子迁移率。

现有的制备In₂O₃薄膜主要是通过真空技术制备的，包括：化学气相沉积法(CVD)，原子层沉积法(ALD)脉冲激光沉积法(PLD)磁控溅射法(RF)等。但现有真空In₂O₃晶体薄膜工艺，存在沉积参数难控、需要使用昂贵的真空系统，容易形成大量氧缺陷，载流子浓度难于控制，而且均匀性、重复性也差等缺点。虽然，相比真空技术，溶液法能够通过低成本、便捷的方式设计制备新型多组分金属氧化物薄膜，但是如何选择合适的掺杂剂减少缺陷和提高电学稳定性，同时使器件保持较高的迁移率一直是溶液法TFT面临的迫切挑战。

因此，现有技术还有待改进。

发明内容