薄膜晶体管.pdf

本发明提供了一种薄膜晶体管，包括沟道层、绝缘层、源极、漏极、栅极和调节电极，所述沟道层具有相对设置的第一表面和第二表面，所述源极和漏极位于所述沟道层的第一表面上，所述调节电极与所述沟道层的第一表面和第二表面中的一个表面电连接，所述绝缘层设置在所述沟道层的第一表面和第二表面中的另一个表面上，并位于所述栅极和所述沟道层之间。本发明的薄膜晶体管阈值电压可调、结构简单、成本低。

权利要求书1.  一种薄膜晶体管，其特征在于，包括沟道层、绝缘层、源极、漏极、栅极和调节电极，所述沟道层具有相对设置的第一表面和第二表面，所述源极和漏极位于所述沟道层的第一表面上，所述调节电极与所述沟道层的第一表面和第二表面中的一个表面电连接，所述绝缘层设置在所述沟道层的第一表面和第二表面中的另一个表面上，并位于所述栅极和所述沟道层之间。2.  根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述调节电极位于所述沟道层的第一表面上，且位于所述源极和漏极之间，所述绝缘层位于所述栅极和所述沟道层的第二表面之间。3.  根据权利要求2所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述薄膜晶体管还包括衬底，所述衬底位于所述绝缘层和所述栅极之间。4.  根据权利要求2所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述薄膜晶体管还包括衬底，所述栅极位于所述绝缘层和所述衬底之间。5.  根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述绝缘层位于所述沟道层的第一表面上，且位于所述源极和漏极之间，所述栅极位于所述绝缘层上，所述调节电极与所述沟道层的第二表面电连接。6.  根据权利要求5所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述薄膜晶体管还包括非绝缘衬底，所述非绝缘衬底位于所述沟道层的第二表面与所述调节电极之间。7.  根据权利要求5所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述薄膜晶体管还包括衬底，所述调节电极位于所述衬底和所述沟道层的第二表面之间。8.  根据权利要求1至7中任一项所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述沟道层由半导体材料制成，所述绝缘层由绝缘材料制成，所述源极、漏极、栅极和调节电极由导电材料制成。9.  根据权利要求8所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述沟道层的材料为IGZO，所述IGZO由In2O3、Ga2O3和ZnO按照摩尔比1:1:1制成。10.  根据权利要求8所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述沟道层的材料为Mg0.4Zn0.6O:F。

说明书薄膜晶体管
技术领域
本发明涉及一种晶体管，具体涉及一种薄膜晶体管。
背景技术
薄膜晶体管是一种场效应晶体管，其根据导电方式可分为耗尽型和增强型。为了采用同一种薄膜晶体管形成复合器件，需要一种阈值电压可调的薄膜晶体管。通过调节薄膜晶体管的阈值电压，使得薄膜晶体管能够在耗尽型和增强型之间切换，从而扩展薄膜晶体管的应用范围。
图1是现有技术中的一种双栅薄膜晶体管的剖视图。如图1所示，双栅薄膜晶体管10从下至上依次包括底栅电极11、衬底12、底栅绝缘层13、沟道层14，位于沟道层14上的顶栅绝缘层15、漏极16和源极18，以及位于顶栅绝缘层15上的顶栅电极17。其中源极18和漏极16位于顶栅绝缘层15的相对两侧。
双栅薄膜晶体管10的阈值电压的调节原理是基于金属-绝缘体-半导体(MIS)电容器原理，即同时需要底栅绝缘层13和顶栅绝缘层15。通过对底栅电极11和顶栅电极17施加电压来调节沟道层14中载流子的浓度分布，从而形成导电沟道以及改变沟道电导。因此可知底栅绝缘层13必须使得沟道层14和底栅电极11之间绝缘且必不可少，同样顶栅绝缘层15必须使得沟道层14和顶栅电极17之间绝缘且必不可少。
但是，目前的双栅薄膜晶体管10结构复杂，随着特征尺寸的逐渐减小，对光刻工艺的要求也越来越高。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单且阈值电压可调的薄膜晶体管。
为了实现上述目的，本发明的一个实施例提供了一种薄膜晶体管，包括：沟道层、绝缘层、源极、漏极、栅极和调节电极，所述沟道层具有相 对设置的第一表面和第二表面，所述源极和漏极位于所述沟道层的第一表面上，所述调节电极与所述沟道层的第一表面和第二表面中的一个表面电连接，所述绝缘层设置在所述沟道层的第一表面和第二表面中的另一个表面上，并位于所述栅极和所述沟道层之间。
优选的，所述调节电极位于所述沟道层的第一表面上，且位于所述源极和漏极之间，所述绝缘层位于所述栅极和所述沟道层的第二表面之间。
优选的，所述薄膜晶体管还包括衬底，所述衬底位于所述绝缘层和所述栅极之间。
优选的，所述薄膜晶体管还包括衬底，所述栅极位于所述绝缘层和所述衬底之间。
优选的，所述绝缘层位于所述沟道层的第一表面上，且位于所述源极和漏极之间，所述栅极位于所述绝缘层上，所述调节电极与所述沟道层的第二表面电连接。
优选的，所述薄膜晶体管还包括非绝缘衬底，所述非绝缘衬底位于所述沟道层的第二表面与所述调节电极之间。
优选的，所述薄膜晶体管还包括衬底，所述调节电极位于所述衬底和所述沟道层的第二表面之间。
优选的，所述沟道层由半导体材料制成，所述绝缘层由绝缘材料制成，所述源极、漏极、栅极和调节电极由导电材料制成。
优选的，所述沟道层的材料为IGZO，所述IGZO由In2O3、Ga2O3和ZnO按照摩尔比1:1:1制成。
优选的，所述沟道层的材料为Mg0.4Zn0.6O:F。
本发明的薄膜晶体管仅包括一层绝缘层，结构简单、成本低。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1是现有技术中的一种双栅薄膜晶体管的剖视图。
图2是根据本发明第一个实施例的薄膜晶体管的剖面图。
图3是图2所示的薄膜晶体管的传输特性曲线。
图4是图2所示的薄膜晶体管的转移特性曲线。
图5是根据本发明第二个实施例的薄膜晶体管的剖面图。
图6是图5所示的薄膜晶体管的传输特性曲线。
图7是图5所示的薄膜晶体管的转移特性曲线。
图8是根据本发明第三个实施例的薄膜晶体管的剖面图。
图9是根据本发明第四个实施例的薄膜晶体管的剖面图。
图10是根据本发明第五个实施例的薄膜晶体管的剖面图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。
图2是根据本发明第一个实施例的薄膜晶体管的剖视图。如图2所示，薄膜晶体管20从下至上依次包括栅极21、硅衬底22、氧化铝绝缘层23、铟镓锌氧化物(IGZO)沟道层24，以及位于IGZO沟道层24上的源极28、漏极26和调节电极27。其中调节电极27位于源极28和漏极26的中间。
IGZO沟道层24是由In2O3、Ga2O3和ZnO按照摩尔比1:1:1形成的n型半导体材料。在ZnO中添加In2O3和Ga2O3，可以抑制ZnO的结晶，从而提高电子迁移率。In3+可以形成5s轨道，有利于电子的高速传输；Ga3+与O2-离子有很强的结合力，可以通过控制Ga含量来控制氧空位的含量，并最终实现对载流子浓度的调控。IGZO半导体材料具有高开关比和高迁移率。
图3是图2所示的薄膜晶体管的传输特性曲线。其中源极21接地(电压为0)，Vgate表示栅源电压，调节电极27的电压为0。如图3所示，薄膜晶体管20的传输特性曲线与一般场效应晶体管的传输特性曲线一致，同样具有线性区和饱和区。
图4是图2所示的薄膜晶体管的转移特性曲线。其中Vm表示调节电极27的电压值。如图4所示，当Vm＞0时，其转移特性曲线向右平移。薄膜晶体管20处于常闭状态，即薄膜晶体管20的导电方式为增强型。随着Vm增加，其阈值电压也逐渐增加。当Vm＜0时，其转移特性曲线向左平移。薄膜晶体管20处于常开状态，即薄膜晶体管20的导电方式为耗尽型。随着Vm减小，其阈值电压也逐渐减小。根据上述结论可知，仅通过改变调节电极27的电压值Vm即可调节薄膜晶体管20的阈值电压。
薄膜晶体管20的工作原理与双栅薄膜晶体管10的工作原理明显不同。薄膜晶体管20是基于对IGZO沟道层24注入电子或从IGZO沟道层24中抽取电子，从而实现对IGZO沟道层24中电子浓度进行调节。当调 节电极27的电压值Vm大于0时，IGZO沟道层24中的电子被抽取至调节电极27中。在栅极21上施加正电压，从而在IGZO沟道层24中(靠近氧化铝绝缘层23的表面)形成导电沟道。当调节电极27的电压值Vm小于0时，调节电极27向IGZO沟道层24中注入电子，并在IGZO沟道层24中(靠近氧化铝绝缘层23的表面)形成导电沟道。
以下将简述薄膜晶体管20的制备方法。首先提供干净的硅衬底22，其中硅衬底22具有相对的两个表面；在硅衬底22的一个表面上依次生长氧化铝绝缘层23和IGZO沟道层24；在IGZO沟道层24上同时制作源极28、漏极26和调节电极27；最后在硅衬底22的另一个表面上制作栅极21。本实施例中的薄膜生长技术包括但不限于原子层沉积、磁控溅射、电子束蒸发、激光脉冲沉积、金属有机化学气相沉积或分子束外延工艺。
本发明的薄膜晶体管20中的源极28、漏极26和调节电极27可以同时制成，即在IGZO沟道层24上沉积金属层，通过光刻和刻蚀等工艺同时形成源极28、漏极26和调节电极27。薄膜晶体管20的调节电极27和IGZO沟道层24之间没有图1所示的顶栅绝缘层15，器件结构简单。因而无需在IGZO沟道层24上高温沉积顶栅绝缘层，也不需要顶栅绝缘层与源极和漏极之间的套刻工艺。
图5是本发明第二个实施例的薄膜晶体管的剖视图。如图5所示，薄膜晶体管30与薄膜晶体管20基本相同，区别在于，采用Mg0.5Zn0.5O绝缘层33替换图2中的氧化铝绝缘层23，并且采用Mg0.4Zn0.6O:F沟道层34替换了图2中的IGZO沟道层24。
MgxZn1-xO是由纤锌矿ZnO和岩盐矿MgO组合而成的一种带隙可调的材料。通过改变Zn和Mg的配比，可以使MgxZn1-xO的带隙在3.37eV到7.8eV之间调节，从而使其为半导体或绝缘体。
图6是图5所示的薄膜晶体管的传输特性曲线。其中源极21接地(电压为0)，Vg表示栅源电压，调节电极27的电压为0。如图6所示，薄膜晶体管30的传输特性曲线与一般场效应晶体管的传输特性曲线一致，同样具有线性区和饱和区。
图7是图5所示的薄膜晶体管的转移特性曲线。其中Vm表示调节电极27的电压值。如图7所示，当Vm＞0时，其转移特性曲线向右平移。薄膜晶体管30处于常闭状态，即薄膜晶体管30的导电方式为增强型。随着Vm增加，其阈值电压也逐渐增加。当Vm＜0时，其转移特性曲线向左 平移。薄膜晶体管30处于常开状态，即薄膜晶体管30的导电方式为耗尽型。随着Vm减小，其阈值电压也逐渐减小。根据上述结论可知，通过改变调节电极27的电压值Vm即可调节薄膜晶体管30的阈值电压。
薄膜晶体管30与薄膜晶体管20的工作原理和制备方法相同，在此不再赘述。
图8是根据本发明第三个实施例的薄膜晶体管的剖面图。如图8所示，薄膜晶体管40与薄膜晶体管20基本相同，区别在于，栅极41位于氧化铝绝缘层43和衬底22之间，且氧化铝绝缘层43覆盖在栅极41上，使得栅极41和氧化铝绝缘层43上的IGZO沟道层24绝缘。其工作原理和薄膜晶体管20完全相同，在此不再赘述。其具有与薄膜晶体管20相似的传输特性曲线和转移特性曲线。
以下将简单说明薄膜晶体管40的制备方法。在干净的硅衬底22上依次制作栅极41、生长氧化铝绝缘层43和IGZO沟道层24，并在IGZO沟道层24上同时制作源极28、漏极26和调节电极27。在制备过程中，确保栅极41和IGZO沟道层24之间绝缘即可。
图9是根据本发明第四个实施例的薄膜晶体管的剖面图。如图9所示，薄膜晶体管50从下至上依次包括调节电极27、硅衬底22和IGZO沟道层24，位于IGZO沟道层24上的源极28、漏极26和氧化铝绝缘层53，以及位于氧化铝绝缘层53上的栅极21。其中氧化铝绝缘层53位于源极28和漏极26中间。其工作原理和薄膜晶体管20完全相同，在此不再赘述。其具有与薄膜晶体管20相似的传输特性曲线和转移特性曲线。
以下将简单说明薄膜晶体管50的制备方法。在硅衬底22的一个表面上生长IGZO沟道层24，在IGZO沟道层24上制作源极28、漏极26和氧化铝绝缘层53，在氧化铝绝缘层53上制作栅极21，最后在硅衬底22的另一个表面上制作调节电极27。
图10是根据本发明第五个实施例的薄膜晶体管的剖面图。如图10所示，薄膜晶体管60与薄膜晶体管50基本相同，区别在于，调节电极67位于硅衬底22和IGZO沟道层24中间。其工作原理和薄膜晶体管20完全相同，在此不再赘述。其具有与薄膜晶体管20相似的传输特性曲线和转移特性曲线。
以下将简单说明薄膜晶体管60的制备方法。在硅衬底22上依次沉积调节电极67、IGZO沟道层24，在IGZO沟道层24上沉积源极28、漏极 26和氧化铝绝缘层53，在氧化铝绝缘层53上制作栅极21。
根据本发明的薄膜晶体管的结构和工作原理可知，本发明的薄膜晶体管中的调节电极与沟道层是电接触或电连接，且薄膜晶体管中的栅极与沟道层之间绝缘。例如调节电极可与沟道层直接接触或通过非绝缘的衬底与沟道层电连接。
本领域的技术人员可以理解，本发明的薄膜晶体管的沟道层的材料并不限于IGZO和Mg0.4Zn0.6O:F，还可以是其他的半导体材料，例如ZnO，GaN或Si。本发明的薄膜晶体管的绝缘层并不限于Al2O3和Mg0.5Zn0.5O，还可以是其他绝缘层，例如SiNx、MgO、BeO、Ta2O5、HfO2、ZrO2或SiO2。
本发明的薄膜晶体管中的源极、调节电极、漏极和栅极可以由任意的导电材料制成。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。