CN109742157A - 一种β-Ga2O3基薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种β‑Ga2O3基薄膜晶体管及其制备方法，该薄膜晶体管包括介质层，所述介质层材质为MgAl2O4。本发明通过对介质层材质的具体选择，使得介质层与沟道层能够形成良好的异质界面，由于异质材料能带的不连续，栅介质在异质界面处具有充当载流子势垒的作用，与沟道材料形成良好异质结并具有较高导带补偿和价带补偿的栅介质能够有效约束电子和空穴的输运。
Description
技术领域
本发明实施例涉及薄膜晶体管技术领域，具体涉及一种β-Ga2O3基薄膜晶体管及其制备方法。
背景技术
薄膜晶体管(TFT)是场效应晶体管的一种特殊形式，这种晶体管是将沟道层、介电层以及金属电极以薄膜的形式通过各种生长方法沉积在衬底之上。TFT主要应用于平板显示器技术，是显示驱动电路的重要组成部分。目前，多晶硅TFT与非晶硅TFT仍然占据着显示器的主要市场，其生产技术也是比较成熟的。但是多晶硅与非晶硅TFT存在着制作工艺繁琐、均一度差、漏电严重、开关比偏低、不易大面积生产等技术问题。
随着人们对于显示器分辨率、大屏显示、柔性可弯曲、响应速度等性能要求的不断提升，寻找一种优质可替代的材料显得迫在眉睫。近年来，研究人员在氧化物半导体方面的研究取得了诸多进展，其中β-Ga2O3因其高击穿场强、禁带宽度大、巴利加优值高等优点，成为目前制备高性能薄膜晶体管的沟道材料的理想之选。在这种晶体管的结构中，栅介质扮演者载流子输运势垒的作用，约束载流子输运、钝化器件表面并遏制漏电。
在实际的工作器件中，要求介电材料在半导体沟道材料其形成异质结的时候实现超过1eV的导带补偿和价带补偿。但是，氧化镓本身的带隙将近4.9eV，这就在一定程度上局限了β-Ga2O3薄膜晶体管介电材料的选择，被选择的介电材料的带隙至少是6.0eV以上，且介电常数要足够的高。
目前，Al2O3、SiO2已经作为栅介质材料用在氧化镓薄膜晶体管。以SiO2和Al2O3为栅介质的晶体管已经实现1850V和750V的高击穿电压，说明SiO2和Al2O3对氧化镓薄膜晶体管有着有效的表面钝化和防漏电作用。然而，SiO2具有8.6eV的禁带宽度和3.9的介电常数，但是相对低的介电常数不易于实现高漏极饱和电流；而Al2O3与氧化镓的导带补偿为3.16eV时，其带隙对准方式为Ⅱ型，不能有效的约束空穴输运。
发明内容
为此，本发明实施例第一目的提供一种β-Ga2O3基薄膜晶体管，以解决现有技术中由于采用Al2O3、SiO2作为栅介质材料而存在的不易于实现高漏极饱和电流和不能有效约束空穴输运的问题。
本发明实施例第二目的提供一种β-Ga2O3基薄膜晶体管的制备方法，该制备方法能够制备得到β-Ga2O3基薄膜晶体管能够有效约束电子和空穴输运，易于实现高漏极饱和电流。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
本发明实施例第一方面提供一种β-Ga2O3基薄膜晶体管，所述薄膜晶体管包括介质层，所述介质层材质为MgAl2O4。
本发明通过对介质层材质的具体选择，使得介质层与沟道层(β-Ga2O3)能够形成良好的异质界面，由于异质材料能带的不连续，栅介质在异质界面处具有充当载流子势垒的作用，在与沟道材料形成良好异质结时具有较高导带补偿和价带补偿的栅介质能够有效约束电子和空穴的输运。
进一步地，所述介质层厚度为15-25nm。
在本发明一实施例中，所述薄膜晶体管还包括衬底、沟道层、漏极、源极和栅极。
进一步地，所述沟道层材质为β-Ga2O3；所述沟道层厚度为180-220nm。
本发明中对薄膜晶体管的结构不做严格限制；例如，可以为本领域的常规结构，优选地，所述薄膜晶体管为背栅或顶栅结构。
进一步地，所述薄膜晶体管为背栅结构时，所述衬底材质为硅。
进一步地，所述薄膜晶体管为顶栅结构时，所述衬底材质选自蓝宝石、硅、金刚石、碳化硅和氮化镓中的任意一种。
在本发明又一实施例中，所述衬底、介电层和沟道层依次连接，所述栅极设置在所述衬底背部，所述漏极和源极分别设置在所述沟道层上表面上。
本发明实施例还提供一种上述薄膜晶体管的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(a)将栅极沉积在衬底背部；
(b)在衬底上依次沉积介电层和沟道层；
(c)采用光刻技术将源极和漏极的图形转移到沟道层表面；
(d)在源极和漏极的图形上分别沉积源极和漏极，得到所述薄膜晶体管。
进一步地，所述沉积采用的方法为射频磁控溅射法，其中，溅射功率为60-80W，衬底温度为600-800℃，氩气气流比为20-25sccm，气压1-3Pa，溅射时间为120-150min。
本发明通过上述方法制备得到的薄膜晶体管能够有效约束电子和空穴输运，易于实现高漏极饱和电流，而且沉积薄膜质地均匀，提高薄膜晶体管的性能。
本发明实施例具有如下优点：
(1)本发明通过对介质层材质的具体选择，使得介质层与沟道层(β-Ga2O3)能够形成良好的异质界面，由于异质材料能带的不连续，栅介质在异质界面处具有充当载流子势垒的作用，可与沟道材料形成良好异质结并具有较高导带补偿和价带补偿的栅介质能够有效约束电子和空穴的输运。
(2)本发明薄膜晶体管的制备方法能够提高各薄膜沉积的均匀性，利于提高薄膜晶体管的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为本发明实施例提供的一种β-Ga2O3基薄膜晶体管的结构示意图；
图2为本发明实验例中提供的MgAl2O4衬底上100nmβ-Ga2O3薄膜的X射线光电子能谱探测图；
图3为本发明实验例中提供的MgAl2O4衬底的X射线光电子能谱探测图；
图4为本发明实验例中提供的MgAl2O4衬底上3nmβ-Ga2O3薄膜的X射线光电子能谱探测图；
图5为本发明实验例中通过提供的MgAl2O4与β-Ga2O3的带隙对准示意图；
图6为本发明实验例中提供的蓝宝石衬底上100nmβ-Ga2O3薄膜的X射线光电子能谱探测图；
图7为本发明实验例中提供的蓝宝石衬底X射线光电子能谱探测图；
图8为本发明实验例中提供的蓝宝石衬底上3nmβ-Ga2O3薄膜的X射线光电子能谱探测图；
图9为本发明实验例中通过提供的蓝宝石与β-Ga2O3的带隙对准示意图；
图中：
1-衬底；2-介质层；3-沟道层；4-漏极；5-源极；6-栅极。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下各实施例采用的原料如下：
MgAl2O4：介电常数为7.8，禁带宽度为7.8eV；市购得到。
蓝宝石：介电常数为9.0，禁带宽度为6.8；市购得到。
实施例1
本实施例公开了一种β-Ga2O3基薄膜晶体管，如图1所示，该薄膜晶体管包括衬底1、介质层2、沟道层3、漏极4、源极5和栅极6，衬底1、介电层2和沟道层3依次连接，栅极6设置在衬底1背部，漏极4和源极5分别设置在沟道层3上表面上；
其中，衬底1材质为硅；介质层2材质为MgAl2O4，厚度为20nm；沟道层3材质为β-Ga2O3，厚度为200nm。
上述薄膜晶体管的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
(a)将栅极6沉积在衬底1背部；
(b)在衬底1上依次沉积介电层2和沟道层3；
(c)采用光刻技术将源极5和漏极4的图形转移到沟道层3表面；
(d)在源极5和漏极4的图形上分别沉积源极5和漏极4，得到所述薄膜晶体管；
其中，沉积采用的方法为射频磁控溅射法，且溅射功率为70W，衬底温度为750℃，氩气气流比为25sccm，气压2Pa，溅射时间为150min。
实施例2
本实施例公开了一种β-Ga2O3基薄膜晶体管，如图1所示，该薄膜晶体管包括衬底1、介质层2、沟道层3、漏极4、源极5和栅极6，衬底1、介电层2和沟道层3依次连接，栅极6设置在衬底1背部，漏极4和源极5分别设置在沟道层3上表面上；
其中，衬底1材质为硅；介质层2材质为MgAl2O4，厚度为15nm；沟道层3材质为β-Ga2O3，厚度为180nm。
上述薄膜晶体管的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
(a)将栅极6沉积在衬底1背部；
(b)在衬底1上依次沉积介电层2和沟道层3；
(c)采用光刻技术将源极5和漏极4的图形转移到沟道层3表面；
(d)在源极5和漏极4的图形上分别沉积源极5和漏极4，得到所述薄膜晶体管；
其中，沉积采用的方法为射频磁控溅射法，且溅射功率为80W，衬底温度为650℃，氩气气流比为20sccm，气压3Pa，溅射时间为130min。
对照例1
本对照例公开一种β-Ga2O3基薄膜晶体管，该薄膜晶体管与实施例1基本相同，区别仅在于介质层材质为蓝宝石。
实验例
采用在MgAl2O4衬底上沉积β-Ga2O3薄膜验证实施例1中MgAl2O4和β-Ga2O3薄膜异质界面性能和对照例1中蓝宝石与β-Ga2O3薄膜异质界面性能；具体实验方法如下：
取1cm×1cm的MgAl2O4衬底3个，其厚度为0.5mm，分别将2个MgAl2O4衬底依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗10分钟，取出之后再用去离子水清洗，并用氮气吹干；
将一个清洗干净的MgAl2O4衬底放入沉积室，采用磁控溅射方法生长β-Ga2O3薄膜，衬底温度750℃，功率70W，氩气流量比为25sccm，气压2Pa，生长时间为66分钟，β-Ga2O3薄膜厚度为100nm；
将另一个清洗干净的MgAl2O4衬底放入沉积室，采用磁控溅射生长β-Ga2O3薄膜，衬底温度750℃，功率70W，氩气流量比为25sccm，气压2Pa，生长时间为2分钟，β-Ga2O3薄膜厚度为3nm；
将上述在MgAl2O4衬底上生长β-Ga2O3薄膜的两个样品和未处理的MgAl2O4衬底分别进行X射线光电子能谱探测，MgAl2O4衬底上100nmβ-Ga2O3薄膜的探测结果如图2所示，未处理的MgAl2O4衬底探测结果如图3所示，MgAl2O4衬底上3nmβ-Ga2O3薄膜的探测结果如图4所示；
通过X射线光电子能谱探测，得到图2所示的β-Ga2O3的芯能级Ga 2p3/2与价带顶位置；
通过X射线光电子能谱探测，得到图3所示MgAl2O4的芯能级Al 2s和价带顶位置；
通过X射线光电子能谱探测，得到图4所示MgAl2O4与β-Ga2O3异质界面处的芯能级Ga 2p3/2与Al 2s；
再根据上述探测结果计算出β-Ga2O3与MgAl2O4的导带补偿为2.26eV，价带补偿为0.64eV，如图5所示，由此可见，β-Ga2O3与MgAl2O4的带隙补偿情况为跨骑式，属于Ⅰ型价带对准方式；MgAl2O4作为介质层能够有效控制电子和空穴的输运。
重复上述操作，区别是将MgAl2O4衬底替换为蓝宝石衬底；
通过X射线光电子能谱探测分别得到蓝宝石衬底上100nmβ-Ga2O3薄膜的探测结果如图6所示，未处理的蓝宝石衬底探测结果如图7所示，蓝宝石衬底上3nmβ-Ga2O3薄膜的探测结果如图8所示，；
通过X射线光电子能谱探测，得到图6所示β-Ga2O3的芯能级Ga2p3/2与价带顶位置；
通过X射线光电子能谱探测，得到图7所示蓝宝石衬底的芯能级Al2s；
通过X射线光电子能谱探测，得到图8所示蓝宝石与β-Ga2O3异质界面处的芯能级Ga2p3/2与Al 2s；
再根据上述探测结果计算出β-Ga2O3与蓝宝石的导带补偿为2.55eV，价带补偿为-0.65eV，如图9所示，由此可见，β-Ga2O3与蓝宝石属于Ⅱ型价带对准方式；可见，蓝宝石不能实现对器件运行过程中的空穴的约束。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种β-Ga2O3基薄膜晶体管，所述薄膜晶体管包括介质层，其特征在于，所述介质层材质为MgAl2O4。
2.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述介质层厚度为15-25nm。
3.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，还包括衬底、沟道层、漏极、源极和栅极。
4.根据权利要求3所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述沟道层厚度为180-220nm。
5.根据权利要求1-4任一所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述薄膜晶体管为背栅或顶栅结构。
6.根据权利要求5所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述薄膜晶体管为背栅结构时，所述衬底材质为硅。
7.根据权利要求5所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述薄膜晶体管为顶栅结构时，所述衬底材质选自蓝宝石、硅、金刚石、碳化硅和氮化镓中的任意一种。
8.根据权利要求6所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述衬底、介电层和沟道层依次连接，所述栅极设置在所述衬底背部，所述漏极和源极分别设置在所述沟道层上表面上。
9.权利要求8所述的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)将栅极沉积在衬底背部；
(b)在衬底上依次沉积介电层和沟道层；
(c)采用光刻技术将源极和漏极的图形转移到沟道层表面；
(d)在源极和漏极的图形上分别沉积源极和漏极，得到所述薄膜晶体管。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述沉积采用的方法为射频磁控溅射法，其中，溅射功率为60-80W，衬底温度为600-800℃，氩气气流比为20-25sccm，气压1-3Pa，溅射时间为120-150min。
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