ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ПРОЗРАЧНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР

Полезная модель относится к области микроэлектроники, а именно к устройству тонкопленочных полевых транзисторов на основе металлооксидных полупроводников, и направлена на улучшение параметров прибора за счет повышения качества границ раздела между слоем истока, стока и канала транзистора и упрощение технологии его изготовления.
2
3
2
2
3
2
Известны конструкции прозрачных полевых транзисторов с металлоокисидным истоком, стоком, каналом, диэлектриком и затвором, расположенными снизу под каналом (Norris B.J., Anderson J., Wager J.F., Keszler D.A., Spin-coated zinc oxide transparent transistors, J. Phys. D. Appl. Phys. 36, 2003, L105-L107), которые используются в прозрачной электронике (Chaing H.Q., Wager J.F., Hoffman R.L., Jeong J., Keszler D.A., High mobility transparent thin-film transistors with amorphous zinc tin oxide channel layer, Appl. Phys. Letters 86, 2005, 013503) в качестве драйверов органических светодиодов (OLED) прозрачных дисплеев (, Ghaffari F., Riedl Т., Kowalsky W., Zinc tin oxide based driver for highly transparent active matrix OLED displays, Sol-St. Electron. 53, 2009, 329-331). Во всех указанных конструкциях полевых транзисторов в качестве прозрачных проводящих слоев истока, стока и затвора используются пленки прозрачных высокопроводящих металлоксидов, например, ITO (InO+SnO), в качестве диэлектрика атомно-слоевые пленки ATO (AlO+TiO), а в качестве высокоомного канала - оксидные пленки на основе ZnO. Использование разнородных материалов усложняет технологию изготовления транзистора, а качество границ раздела между разными металлооксидами из-за различия постоянных кристаллических решеток и несогласованности значений работ выхода электронов влияет на электрофизические параметры и вольт-амперные характеристики полевых транзисторов.
Известны конструкции полевых транзисторов с нижним расположением затвора, изготовленные разными методами из металлооксидных пленок различного состава (Патент USA, № US 2010/0065835 A1, 18.03.2010). В большинстве случаев используются металлооксидные пленки, содержащие оксиды индия или галлия, которые являются токсичными и дорогостоящими материалами.
2
3
2
2
3
2
5
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой конструкции является полевой транзистор (Патент USA, № US 8, 026, 506 B2, 27.09.2011) на основе металлооксидных пленок, включающих оксид индия. Исток и сток изготовлены из ITO (InO+SnO), а канал изготавливается из пленки на основе InO с примесью оксидов Ti или W с электросопротивлением около 10Ом⋅см, которое регулируется содержанием кислорода при синтезе пленок. В качестве подложки использован термически окисленный низкоомный кремний, который является контактом затвора, а слой SiO используется как диэлектрик полевого транзистора. Данная конструкция обладает следующими недостатками:
1. Использование в качестве истока, стока, канала и затвора металлооксидных пленок различного элементного состава, имеющих различные работы выхода электронов и разные значения постоянных кристаллических решеток, может привести к росту дефектности границ раздела между оксидными пленками разных элементов конструкции транзистора.
2. Использование в качестве элементов конструкции транзистора оксидов дорогостоящих и токсичных материалов, таких как In в сложных комбинациях.
3. Сложность технологии изготовления транзистора с использованием нескольких мишеней различного состава и изготовлением металлооксидных слоев сложного элементного состава с заданными электрофизическими свойствами.
2
2
2
4
2
4
2
4
2
4
2
4
2
4
2
2
18
-3
2
16
-3
2
Полезная модель направлена на уменьшение дефектности и улучшение качества границ раздела между различными элементами конструкции полевого транзистора, использование в устройстве транзистора менее токсичных и недорогих металлооксидов, таких как SnO, ZnO и TiO, а также упрощение технологии изготовления полевого транзистора. Это достигается использованием многокомпонентной аморфной пленки, например, состава ZnSnO, в качестве истока, стока и контакта затвора. Аморфная пленка типа ZnSnO сразу после синтеза любым известным методом, например, радиочастотным магнетронным распылением мишени соответствующего состава, имеет концентрацию электронов порядка 10 см и подвижность носителей зарядов около 15 см /(В⋅с), а также гладкую аморфную поверхность (Tuncolu I.G., Aciksari С, Suvaci Е., Ozel Е., Rembeza S.I., Rembeza E.S., Plotnikova E. Yu., Kosheleva N.N., Svistova T.V. Synthesis of ZnSnO powders via hydrothermal method for ceramic targets // Journal of the European Ceramic Society. 2015. T. 35. №14. C. 3885-3892). Эта же пленка состава ZnSnO после термообработки на воздухе при 450°C в течение 3 ч доокисляется и частично кристаллизуется, что приводит к снижению исходной концентрации электронов до 10 см, а подвижность изменяется до 20 см/(В⋅с). Эти параметры пленки ZnSnO соответствуют требованиям, предъявляемым к материалу канала полевого транзистора. Таким образом, исток, сток и канал транзистора изготавливаются из металлооксидной пленки одинакового состава. Упрощение технологии изготовления транзистора достигается использованием в технологическом процессе распыления на переменном токе только двух мишеней: ZnSnO для истока, стока, канала и затвора и, например, TiO+SiO для распыления пленки подзатворного диэлектрика.
2
4
2
4
2
2
2
2
4
2
4
2
4
2
4
2
4
Сущность полезной модели поясняется Фиг. На прозрачную изолированную подложку 1 (стекло, кварц, пластик и др.) нанесен любым известным методом слой аморфной пленки ZnSnO (2), используемой в качестве электрода затвора. На поверхность пленки ZnSnO наносится слой TiO+SiO (3) (3-5% ат. SiO) с заданной удельной емкостью, который является подзатворным диэлектриком. Сверху слоя диэлектрика (3) с помощью теневой маски или фотолитографии наносится канал транзистора (4) в виде пленки ZnSnO, которая затем подвергается кратковременному локальному отжигу на воздухе с помощью светового или теплового воздействия, приводящего к доокислению и частичной кристаллизации пленки ZnSnO, и к достижению необходимых значений электросопротивления. На готовые структуры канала транзистора с помощью теневых масок или фотолитографии наносится аморфная пленка ZnSnO (5), которая используется в качестве истока и стока полевого транзистора. Таким образом, основные рабочие элементы полевого транзистора, а именно исток, сток и канал изготовлены из одного металлооксида сложного состава ZnSnO, что обеспечивает высокую степень согласования границ раздела и снижение их дефектности. Прозрачный проводящий контакт затвора также изготавливается из аморфной пленки ZnSnO.
Устройство работает как обычный тонкопленочный прозрачный полевой транзистор с улучшенными электрическими параметрами.
2
4
Предлагаемая полезная модель отличается простотой изготовления и низкой дефектностью границ раздела между элементами транзистора, изготовленными из одного многокомпонентного металлооксида типа ZnSnO. Между полупроводниковыми слоями элементов конструкции исток, сток и канал транзистора отсутствуют рассогласования кристаллических решеток, а величины работ выхода электронов совпадают.