晶體管結構和制造該晶體管結構的方法

專利名稱：晶體管結構和制造該晶體管結構的方法
技術領域：
本發明涉及晶體管結構，諸如例如，透明晶體管。
背景技術：
微電子業界和研究團體正在致力于制造在肉眼可見的電磁頻譜部分是透明的電子器件(例如，二極管和晶體管)。由該器件構成的電路將提供用于革新或者改善消費者電子系統、汽車電子系統和軍用電子系統的獨特機遇。
例如，在膝上型電腦或者其他信息顯示產品中廣泛地使用了有源矩陣液晶顯示器(AMLCD)。AMLCD顯示器的操作需要每個圖像或者顯示元素(像素)具有與之相關的相應的薄膜晶體管(TFT)，用于選擇或者尋址將要打開或關閉的像素。當前，AMLCD顯示器使用的是可以淀積在玻璃襯底上的并且是不透明的(通常地，非晶硅、多晶硅或者連續晶粒硅是用于在玻璃上制造TFT的材料)晶體管材料。這樣，由尋址電子器件占用的顯示器玻璃部分不能被用于使光透射過顯示器。因此，用于AMLCD尋址的透明晶體管的應用將通過允許更多的光透射過顯示器來改善顯示器的性能。
附圖簡述將通過參考下列附圖更加詳細地描述某些實施例

圖1是此處公開的晶體管結構的第一實施例的剖面圖；圖2是此處公開的晶體管結構的第二實施例的剖面圖；圖3是此處公開的晶體管結構的第三實施例的剖面圖；圖4是示出了圖1所示晶體管結構的漏源電流(IDS)相對漏源電壓(VDS)的曲線圖，其是柵源電壓(VGS)的函數(柵源電壓從+40V(曲線頂)到+2V以2V的步長進行變化)；圖5示出了圖1所示晶體管結構在三個多種漏源電壓處的IDS-VGS特性曲線；圖6示出了圖1所示晶體管結構使用透明薄膜電阻負載(R＝70MΩ)和VDD＝40V的供電電壓時的反相傳輸特性曲線；圖7示出了通過圖1所示晶體管結構的源極或漏極部分的光透射特性的圖；圖8是此處公開的晶體管結構的第四實施例的剖面圖；圖9是此處公開的晶體管結構的第五實施例的剖面圖；圖10是此處公開的晶體管結構的第六實施例的剖面圖；圖11是包括此處公開的晶體管結構的AMLCD的單元電路示例的示意圖；圖12是包括此處公開的晶體管結構的動態隨機存取存儲器(DRAM)單元電路示例的示意圖；圖13是包括此處公開的晶體管結構的邏輯反相器示例的示意圖；圖14是包括此處公開的晶體管結構的反向放大器電路示例的示意圖。
幾個實施例的詳細描述為便于理解，下文詳細描述了此處使用的術語“增強型晶體管”表示在零柵壓時在源極和漏極之間存在相對于導通電流是可忽略的截止電流的晶體管。換言之，該晶體管器件是“常截止的”。相反地，耗盡型晶體管是“常導通的”，表示在零柵壓時在源極和漏極之間流動的電流比大于基本可忽略的電流。
“柵極”通常指用于晶體管電路配置環境中的三端FET的絕緣柵端。
“基本絕緣”可以包括絕緣材料(例如，具有大于約1010Ω-cm的電阻率的材料)和半絕緣材料(例如，具有約103Ω-cm至1010Ω-cm的電阻率的材料)。
“基本透明”通常指在電磁頻譜的可見光部分(和/或在某些變型中的紅外光部分)中不吸收大量光的材料或者結構。
“垂直”指基本上與襯底的表面垂直。
前面的術語描述是僅是為幫助讀者而提供的，而不應被解釋為具有小于本領域的普通技術人員所理解的范圍，或者其不應限制附屬權利要求的范圍。
此處公開的是增強型的場效應晶體管，其中晶體管結構的至少一部分是基本透明的。還公開了包括該晶體管的器件和用于制造該晶體管的方法。
該晶體管的一個變型包括溝道層，其包括選自ZnO、SnO2或者In2O3中的基本絕緣的、基本透明的材料。包括基本透明材料的柵絕緣層位于與溝道層相鄰的位置上，由此限定了溝道層/柵絕緣層界面。該晶體管還包括能夠將電子注入到溝道層中使之積累在溝道層/柵絕緣層界面的源極，以及能夠從溝道層中抽取電子的漏極。
該晶體管的第二變型包括溝道層，其包括選自基本絕緣的ZnO、基本絕緣的SnO2或者基本絕緣的In2O3中的基本透明的材料，該基本絕緣的ZnO、基本絕緣的SnO2或者基本絕緣的In2O3是通過退火工藝生產的。柵絕緣層位于與溝道層相鄰的位置上，并且包括基本透明的材料。該晶體管還包括源極、漏極和柵電極。
用于制造該晶體管的方法包括提供柵絕緣層，將ZnO、SnO2或者In2O3淀積在柵絕緣層的至少部分表面上，和使ZnO、SnO2或者In2O3在氧化環境中在約300至約1000℃的溫度下退火約1分鐘至2小時。
該晶體管可以作為聯接到至少一個顯示元件的開關包括在光電顯示器件中。另一公開的器件是基本透明的動態隨機存取存儲單元，其包括聯接到該晶體管的基本透明的電容器。該晶體管的另一應用是在基本透明的反相器中，其中該晶體管聯接到負載器件。
通常，晶體管結構包括襯底、柵電極、柵絕緣層、溝道層、源極和漏極。溝道層可以位于與柵絕緣層相鄰的位置，由此溝道層的表面與柵絕緣層的表面相接近。溝道層表面和柵絕緣層表面的接觸區域在此處被稱為溝道層/柵絕緣層界面。在示例性的構造中，溝道層的絕緣材料與柵絕緣層的材料不同，并且溝道層/柵絕緣層界面限定了離散的材料邊界。
該晶體管結構的實施例的特征是，溝道層/柵絕緣層界面限定了導電溝道，用于使電子從源極流向漏極。換言之，該晶體管可被歸類為“表面溝道”或者“界面溝道”器件。施加的柵電壓促使電子在溝道層/柵絕緣層界面區域積累。此外，施加的電壓增強了從源極到溝道層/柵絕緣層界面的電子注入，并且增強了由漏極對其進行的電子抽取。
該晶體管結構的另一特征是，該溝道層和柵絕緣層的構造或者組合的所選實施例在電磁頻譜的可見光部分上(和/或在某些變型中的紅外光部分)呈現出至少約90％的光透射率，更特別地，具有至少約95％的透射率。取決于所需的晶體管最終應用，該結構的每一個額外部件(即，襯底、柵電極、源/漏端)可被選擇為不透明的或者基本透明的。在某些實施例中，該晶體管結構整體可以在電磁頻譜的可見光部分上(和/或在某些變型中的紅外光部分)呈現出至少約50％的光透射率，更特別地是至少約70％的光透射率，而最特別的是至少約90％的光透射率。
此處公開的FET的進一步的特征是，其可以容易地作為薄膜晶體管(TFT)而被制造。例如，可以使用相對低的工藝溫度(例如，不超過約800℃)，并且不需要離子注入工藝來設置溝道閾值電壓和在該FET結構的某些變型中限定源極和漏極接觸。該TFT典型地在結合光電器件使用時是非常有用的，如下文所詳細描述的。
溝道層典型地由基本絕緣的材料制成，其也是基本透明的。由于溝道層由基本絕緣的材料制成，因此可用在溝道層的體塊部分中固有的電子量是可忽略的。此外，基本絕緣的溝道層可以提供固有的電絕緣，用于多個器件共享連續的溝道層膜(具有限定每個器件的被構圖的柵電極、源電極和漏電極)。該固有的器件絕緣意味著，由于呈現出來的溝道層/柵絕緣層處的電導率僅低于被構圖的柵電極，因此溝道層膜的構圖不是必需的。
用于該溝道層的說明性材料包括ZnO、SnO2和In2O3。絕緣的ZnO、SnO2和In2O3可以通過退火工藝生產，特定地是快速熱退火(RTA)工藝制造。該絕緣的ZnO、SnO2和In2O3典型地呈現出具有小于約5eV的能帶間隙。
例如，可以淀積ZnO層(例如通過濺射、化學氣相淀積、旋涂、物理氣相淀積、氣相外延、分子束外延等等)并且隨后使其在基本氧化的環境中在約300至約1000℃的溫度下(特別是約700至約800℃)經歷約1分鐘至約2小時(更特別的是約1分鐘至約1小時，在某些情況中是約1分鐘至約5分鐘)的退火工藝。盡管不受任何理論的約束，但是可以相信，該工藝將導致在ZnO層中并入更多的氧，由此降低了氧缺位濃度或者氧缺乏程度。ZnO中的氧缺位或者氧缺乏可以致使其是n型的并且是可導電的。在諸如氬的惰性氣體環境中的高溫(即，至少約700℃)退火也可以產生絕緣ZnO。盡管不受任何理論的約束，但是該較高溫度的退火可以改善ZnO的結晶度，由此改善了電子輸運特性。可以摻雜該絕緣ZnO，也可以不進行摻雜。如果進行了摻雜，則可以通過使用受主摻雜劑的置換摻雜來增加ZnO的電阻率，該受主摻雜劑諸如例如，N、Cu、Li、Na、K、Rb、P、As及其混合物。
相似地，可以淀積SnO2層(例如通過濺射、化學氣相淀積、旋涂、物理氣相淀積、氣相外延、分子束外延等等)并且隨后使其在基本氧化的環境中在約300至約1000℃的溫度下(特別是約700至約900℃的溫度下)經歷約1分鐘至約2小時(更特別的是約1分鐘至約1小時，在某些情況中是約1分鐘至約5分鐘)的退火工藝。盡管不受任何理論的約束，但是可以相信，該工藝將導致在SnO2層中并入更多的氧，由此降低了氧缺位濃度或者氧缺乏程度。SnO2中的氧缺位或者氧缺乏可以致使其是n型的并且是可導電的。諸如氬的惰性氣體環境中的高溫(即，大于約700℃)退火也可以產生絕緣SnO2。盡管不受任何理論的約束，但是該較高溫度的退火可以改善SnO2的結晶度，由此改善了電子輸運特性。可以通過使用受主摻雜劑的置換摻雜來增加SnO2的電阻率，該受主摻雜劑諸如例如，Al、In、Ga、Bi、B、La、Sc、Y、Lu、Er、Ho、N、P、As及其混合物。
同樣相似地，可以淀積In2O3層(例如通過濺射、化學氣相淀積、旋涂、物理氣相淀積、氣相外延、分子束外延等等)并且隨后使其在基本氧化的環境中在約300至約1000℃的溫度下(特別是約700至約900℃的溫度下)經歷約1分鐘至約2小時(更特別的是約1分鐘至約1小時，在某些情況中是約1分鐘至約5分鐘)的退火工藝。盡管不受任何理論的約束，但是可以相信，該工藝將導致在In2O3層中并入更多的氧，由此降低了氧缺位濃度或者氧缺乏程度。In2O3中的氧缺位或者氧缺乏可以致使其是n型的并且是可導電的。諸如氬的惰性氣體環境中的高溫(即，大于約700℃)退火也可以產生絕緣In2O3。盡管不受任何理論的約束，但是該較高溫度的退火可以改善In2O3的結晶度，由此改善了電子輸運特性。可以通過使用受主摻雜劑的置換摻雜來增加In2O3的電阻率，該受主摻雜劑諸如例如，Be、Mg、Ca、Sr、Ba、N、P、As、Zn、Cd及其混合物。
根據特定的實施例，ZnO、SnO2或者In2O3層可以在包括至少一種濺射氣體和至少一種膜調整氣體的環境中通過濺射進行淀積。該膜調整氣體可以是任何能夠通過在原子或者亞原子水平上并入到膜中來增加膜電阻率的氣體。例如，膜調整氣體可以是其自身分子、原子或者離子并入到膜中使得如上文所述占據了膜中的氧缺位或者缺陷的氧化氣體。另一種膜調整氣體可以是其自身分子、原子或者離子并入到膜中使得其增加了膜電阻率的摻雜劑氣體。說明性的濺射氣體包括Ar、Ne及其混合物。說明性的氧化氣體包括O2、N2O及其混合物。說明性的摻雜劑氣體包括N2、NH3和其他包括上文列出的摻雜劑類型的氣體。在濺射環境中的氣體濃度可以取決于所需的膜特性而進行變化。例如，氧化氣體的濃度可以在約0至約50的體積百分比的范圍內變化。摻雜劑氣體的濃度可以在約0至約50的體積百分比的范圍內變化。濺射氣體的濃度可以在約0至約100的體積百分比的范圍內變化。濺射條件也可以取決于所需的膜特性而進行變化。例如，溫度可以從約室溫至600℃的范圍內變化，并且壓力可以在約1mTorr至約50mTorr的范圍中變化。在特定的示例中，可以在包括80體積百分比的Ar、10體積百分比的N2和10體積百分比的O2的環境中，通過濺射來淀積未摻雜的ZnO靶。
溝道層的厚度可以變化，并且可以根據特定的示例，在約10至約500nm的范圍中變化。溝道長度也可以變化，并且可以根據特定的示例，在約1,000至約100,000nm的范圍中變化。
柵絕緣層可以由任何呈現出柵絕緣體所需的絕緣特性的材料制成，特別是基本透明的材料。柵絕緣體材料典型地呈現出大于約5eV的能帶間隙。說明性的材料包括基本透明的材料，諸如鋁鈦氧化物(Al2O3/TiO2)、Al2O3、MgO、SiO2、氮化硅和氮氧化硅。基本透明材料的一個特殊的示例是通過原子層淀積生長的鋁鈦氧化物。柵絕緣層的厚度可以變化，并且可以根據特定的示例，在約10至約300nm的范圍中變化。可以通過諸如化學氣相淀積、濺射、原子層淀積或者蒸發的技術將柵絕緣層引入到該結構中。
源/漏端是指FET的極端，在電場的影響下在該極端之間出現傳導。設計者通常基于FET在電路中操作時施加到極端的電壓來將特定的源/漏端指定為“源極”或者“漏極”。源極和漏極可以由任何適當的導電材料制成，諸如n型材料。源極和漏極材料可被選擇為不透明的材料或者基本透明的材料。說明性的材料包括透明的n型導體，諸如氧化銦錫(ITO)、ZnO、SnO2或者In2O3，或者包括不透明的材料，諸如Al、Cu、Au、Pt、W、Ni或者Ti。對于源極和漏極特別有用的材料是那些能夠向溝道層絕緣材料注入(和抽取)電子的材料。該電子注入材料的實例包括氧化銦錫、LaB6和ZnO:Al。
可以通過諸如化學氣相淀積、濺射、蒸發和/或通過擴散或離子注入摻雜溝道層材料的技術，將源極和漏極引入到該結構中。可以制造源極和漏極使得它們在幾何上是幾何對稱的或者是不對稱的。
柵電極可以由任何適當的傳導材料制成。柵電極材料可被選擇為不透明的材料或者基本透明的材料。說明性的柵電極材料包括透明的n型導體，諸如氧化銦錫(ITO)、ZnO、SnO2或者In2O3，或者包括不透明的材料，諸如Al、Cu、Au、Pt、W、Ni或者Ti。柵電極的厚度可以變化，并且可以根據特定的示例，在約50至約1000nm的范圍中變化。可以通過諸如化學氣相淀積、濺射、蒸發和/或摻雜的技術將柵電極引入到該結構中。
如此處所使用的，“襯底”是指作為基礎工件的物理物體，其通過多種工藝操作被轉化為所需的微電子構造。襯底還可以指晶片。晶片可以由半導體材料、非半導體材料或者半導體材料和非半導體材料的組合制成。襯底可以由任何適當的材料制成。襯底材料可被選擇為不透明的材料或者基本透明的材料。說明性的襯底材料包括玻璃和硅。襯底的厚度可以變化，并且可以根據特定的示例，在約100μm至約1cm的范圍中變化。
可以以任何方式提供對柵電極、源極、漏極和襯底的電接觸。例如，可以使用金屬線、跡線、導線、互連、導體、信號路徑和信號傳播介質來提供所需的電氣連接。上文列出的項通常是可互換的，并且按照從特殊到一般的順序排列。通常是鋁(Al)、銅(Cu)、或者Al和Cu的合金的金屬線是提供用于聯接或者互連電路的信號路徑的導體。還可以使用除了金屬以外的導體。
說明性的n溝道晶體管的操作涉及，向柵電極施加正電壓，將源極接地，和向漏極施加正電壓。例如，在操作期間向柵電極和漏極施加約5至約40V的電壓。閾值電壓可以在約1至約20V的范圍中變化。電子從源極沿在溝道層/柵絕緣層界面處產生的導電溝道通過漏極流出晶體管。電子在界面處的有效遷移率可以取決于特定的結構而變化，但是可以在一定的范圍中變化，例如約0.05至約20cm2V-1s-1。由于該晶體管是增強型晶體管，因此簡單地移除施加在柵電極上的正電壓可以使晶體管截止。
此處公開的晶體管結構可被用于制造芯片、集成電路、單片器件，半導體器件和微電子器件。一個微電子器件的示例是光電器件。說明性的光電器件是有源矩陣液晶顯示器(AMLCD)。
一個示例器件是光電顯示器件，其包括具有電極和淀積在電極之間的光電材料的元件。透明晶體管的連接電極可以連接到顯示元件的電極，而開關元件的顯示元件至少在一部分上相互重疊。這里，光電顯示元件被理解為其光學特性在電氣量(諸如電流和電壓)的作用下發生改變的顯示元件，諸如例如，通常被稱為液晶顯示器(LCD)的元件。此處詳細描述的透明晶體管作為以高頻來開關顯示元件來說是足夠快的，使得可以使用透明晶體管作為液晶顯示器中的開關元件。該顯示元件在電氣方面可以被當成電容器，其通過伴隨的透明晶體管而進行充電和放電。光電顯示器件可以包括許多顯示元件，每一個顯示元件都具有其自己的透明晶體管(例如，排列在矩陣中)。可以如，例如，Kim，“Thin-Film-Transistor Device Design”，Information Display2/02，p.26(2002)中所描述的，為LCD器件排列該透明晶體管。
在圖11中示出了AMLCD單元電路的一個特定示例。該AMLCD單元電路包括如此處描述的晶體管60和與之電氣聯接的LCD像素61。晶體管60和LCD像素61一起形成了晶體管/像素單元62。在所示配置中，晶體管60通過漏電極電氣聯接到LCD像素61。晶體管60的柵電極電氣聯接到接收用于晶體管60的開/關輸入的行或者控制線63。晶體管60的源電極電氣聯接到接收用于控制LCD像素61的信號的列或者數據線64。
可以使用此處示出的晶體管結構的微電子器件的其他示例包括反相器、模擬放大器和單管動態隨機存取存儲(DRAM)單元以及相似的器件。
例如，透明的增強型晶體管，在其源極連接至透明電容器的一個極端，而電容器的另一極端接地時，構成了透明的單管動態隨機存取存儲(DRAM)單元。在該DRAM單元中，信息作為電容器上的電荷存儲，該增強型晶體管用作存取晶體管，其控制電容器的電荷狀態。通常在該DRAM單元中，可忽略的電容器電荷量和伴隨的小的電容器電壓表示邏輯“0”。相反地，通過對電容器充電，由此增加電容器電壓直到其達到供電電壓，獲得了邏輯“1”。
此處描述的完整的DRAM單元或者其一部分是透明的。可以使用多種技術來完成制造透明電容器并且將其連接至透明晶體管以實現DRAM單元。特定地，通過將使用諸如Al2O3或者SiO2材料將透明絕緣層夾在兩個使用諸如氧化銦錫、ZnO或者SnO2材料的透明導體之間，可以構建透明電容器。
在圖12中示出了DRAM單元電路的一個特定的示例。該DRAM單元電路包括如此處描述的晶體管70和與之電氣聯接的存儲電容器71。晶體管70和存儲電容器71一起形成了晶體管/電容器單元72。在所示配置中，晶體管70通過漏電極電氣聯接到存儲電容器71。晶體管70的柵電極電氣聯接到接收用于晶體管70的開/關輸入的行或者寫入線73。晶體管70的源電極電氣聯接到接收用于控制存儲電容器71所存儲信息的信號的列或者數據線74。
圖1至3和圖8至10中示出了特定的晶體管結構的說明性示例。下文特定的示例是用于說明性的目的，并且不應被理解為限制附屬權利要求的范圍。在圖1至3和圖8至10中，除非特別說明，相似的參考數字表示相似的元件。
圖1示出了TFT結構1，其被制造在1英寸×1英寸厚的復合襯底上。該平臺包括200nm厚的玻璃襯底2、涂布在襯底2上的氧化銦錫(ITO)柵電極3和200nm厚的鋁鈦氧化物絕緣層4。
ZnO溝道和ITO源/漏電極膜通過在10-4Torr的Ar/O2(80％/20％)中的離子束濺射進行淀積；襯底在淀積過程中未加熱。使用陰影掩模來限定ZnO溝道層5(100nm厚)、ITO源電極6(300nm厚)和ITO漏電極7(300nm厚)。得到的結構限定了溝道層/柵絕緣層界面8。緊接在用于去除從暴露表面吸收雜質的ZnO和ITO淀積之前，在Ar中的300℃快速熱退火(RTA)獲得了膜質量的明顯改善(特別用于ITO膜)。在淀積ZnO層之后，使用RTA(典型地在O2或者Ar中，600至800℃)增加ZnO溝道的電阻率并且改善溝道層/柵絕緣層界面8的電氣質量。在ITO源/漏電極淀積之后，使用O2中300℃的RTA增加ITO層的透明度。在晶體管結構1中，將源/漏電極6和7安置在溝道層5的頂表面(在垂直視角上)，并且將柵電極5和溝道層5分布安置在柵絕緣層4的相對表面上。因此，結構1允許在ITO源/漏電極6和7的淀積和處理之前，進行ZnO溝道層5的高溫處理。如下文所述評估了TFT結構1的某些電氣和物理特性，并且在圖4至7中進行了說明。
通過參考圖4，獲得了n溝道增強型行為，這是基于這一事實而聲明的，即需要超過約～15V(閾值)的正柵壓來獲得可測量的漏源電流。該IDS-VDS曲線呈現出了原型FET的特征；特別重要的是，這些曲線在大的漏電壓處是平坦的(即，它們呈現“硬”飽和)。所使用的漏電壓和柵電壓相比于傳統的FET是相當大的；通過簡單地減小柵絕緣體的厚度，可以將柵電壓和漏電壓減小到典型FET操作所期望的范圍(即～5至10V)。在TFT結構1中，由于被優化的用于電致發光顯示應用，絕緣體厚度是～200nm；如果將另外的相同絕緣體重新調節為20nm的厚度，則柵電壓和漏電壓將以近似10的系數比例減小。
結構1當前的IDS相當小(即圖4中IDS(max)是約6μA)。在許多應用中更大的IDS可能是需要的。IDS的幅度由兩個因素決定。一個是溝道電子的有效遷移率μeff(對于TFT結構1為約0.05至0.2cm2V-1s-1)。工藝/器件優化將導致μeff以系數比例約2至100進行增長，這將導致相應的IDS的增加。第二個因素是縱橫比。TFT結構1的縱橫比(柵極的物理寬度Z除以柵極的長度L)是約2(其中Z＝2L＝6000μm)。較大的縱橫比將導致較大的電流IDS。
圖5示出了TFT結構1在三個不同漏電壓下的IDS-VGS特性。該圖示出了在晶體管用作開關時，在“導通”和“截止”電流之間存在系數為105至106的差異。
圖6示出了TFT結構1在用作反相器時的傳輸特性。ZnO透明薄膜電阻(R＝70MΩ)用作反相器無源負載，其中供電電壓VDD＝40V。從該曲線可以清楚地證明在15和30V之間有約15V的邏輯擺幅。這表明此處描述的透明TFT可以用作透明反相器。在其最簡單的實現方案中，邏輯反相器包括兩個組成部分聯接到負載器件的晶體管。該負載器件可以是電阻器，如本示例中所使用的。可替換地，耗盡型或者增強型晶體管也可以用作負載器件，典型地提供更好的性能。邏輯反相器的基本特性是它執行邏輯非運算，其中邏輯0(1)輸入產生邏輯1(0)輸出。由于反相器是用于實現透明數字電子電路的最基本的構成模塊，所以如此處所述，成功的實現透明邏輯反相器是意義重大的。通過減小絕緣體厚度、減小物理尺寸和增加電流驅動能力(增加縱橫比和有效遷移率)而進行的透明薄膜晶體管的優化將導致用于反相器操作的供電電壓的明顯降低。
在圖13中示出了邏輯反相器電路的一個特定示例。該邏輯反相器電路包括如此處描述的晶體管80。晶體管80的柵電極電氣聯接到電壓輸入端(Vin)，晶體管80的源電極電氣聯接到地，并且晶體管80的漏電極電氣聯接到負載81和電源(VDD)。負載81可以是透明薄膜電阻或者透明薄膜晶體管。通過Vin使晶體管80導通或者截止來控制電路的電壓輸出(Vout)。
透明晶體管還可以用于放大器應用中。例如，上文所述的反相器結構還可以用作簡單的模擬反向放大器。通過在輸入端施加適當的DC偏置，小的輸入信號(疊加在DC偏置上)由反相器的傳輸特性進行放大。除了該簡單的放大器配置，這些晶體管可以直接應用到任意的放大器配置中，但是由于這些器件低的遷移率，其最大操作頻率極限相對要低。
在圖14中示出了反向放大器電路的一個特定示例。該反向放大器電路包括如此處描述的晶體管90。晶體管90的柵電極電氣聯接到電壓輸入信號(Vin)和DC偏置(Vbias)。晶體管90的源電極電氣聯接到地，并且晶體管90的漏電極電氣聯接到負載91和電源(VDD)。負載91可以是透明薄膜電阻或者透明薄膜晶體管。
圖7示出了TFT結構1通過源極6或者漏極7的光透射率(這里未示出的通過溝道的光透射率高于通過源極或者漏極的光透射率)。在電磁頻譜的可見光部分(450-700nm)的平均透射率是約90％(通過溝道是約95％)。在視覺上，該透明TFT結構基本上是看不見的；在靠近觀察時，玻璃襯底的略微染色是明顯的。
圖2在圖2所示的另一透明TFT結構10的版本中，通過選擇性地在ZnO溝道層13(100nm厚)的末端摻雜In(或者任何適當的n型摻雜劑)，制造了源電極11(100nm厚)和漏電極12(100nm厚)。通過在淀積ZnO溝道膜之前，使用源/漏極陰影掩模由離子束濺射來淀積薄(約5nm)的ITO層，完成了這一操作。執行隨后的高溫(～600至800℃)退火步驟，用以擴散摻雜ZnO，由此形成了n型摻雜的源/漏區域11和12。擴散摻雜RTA還可用作用于ZnO的氧化RTA。ITO接觸可以安置在源和漏區域上，用以提供更好的電氣接觸。襯底2、柵電極3、柵絕緣層4和溝道層/柵絕緣層界面8與圖1中的相同。
圖3在TFT結構的第三變型20中，在形成ZnO溝道層23(100nm厚)之前，淀積ITO源電極21(300nm厚)和ITO漏電極22(300nm厚)。隨后ZnO溝道層23保形淀積在ITO源/漏電極21和22上。在ZnO的淀積之后，執行700℃的Ar退火，隨后執行300℃的氧退火。襯底2、柵電極3、柵絕緣層4和溝道層/柵絕緣層界面8與圖1中的相同。
圖8圖8示出了TFT結構的第四變型30。該TFT結構30包括玻璃襯底2，在其上安置有源電極35和漏電極36。所提供的溝道結構37包括位于源電極35和漏電極36之間并且與玻璃襯底2相鄰的體塊部分38。溝道結構37還包括界面部分39，其與體塊部分38是一體的，并且分別置于柵絕緣層34同源電極35和漏電極36之間。界面部分39可以與每個源電極35或漏電極36的全部重疊，或者僅與其部分重疊。界面部分39和柵絕緣層34形成溝道層/柵絕緣層界面31，其限定了用于電子從源極流向漏極的導電溝道。柵電極33安置在柵絕緣層34的頂表面上(在垂直視角上)。換言之，柵電極33和溝道結構37提供在柵絕緣層34的相對表面上。
例如，通過淀積和構圖限定了源電極35和漏電極36的膜，可以制造該TFT結構30。例如，可以在玻璃襯底2上濺射500的ITO源/漏電極膜。通過陰影掩蔽或者光刻方法可以完成源極和漏極的構圖。可以選擇對源/漏電極膜進行退火。然后溝道結構37可以淀積和構圖在源電極35、漏電極36和玻璃襯底2上。例如，可以濺射淀積500的ZnO膜，并且然后通過陰影掩蔽或者光刻方法進行構圖。可以選擇對該ZnO膜進行退火。隨后，柵絕緣層34可以淀積和構圖在溝道結構37上。例如，可以濺射淀積2000的Al2O3膜，并且然后通過陰影掩蔽或者光刻方法進行構圖。可以形成通過柵絕緣層34的過孔，用以電氣連接至源電極35和漏電極36。可以選擇對該Al2O3膜進行退火。然后柵電極33可以淀積和構圖在柵絕緣層34上。例如，可以濺射淀積2000的ITO膜，并且然后通過陰影掩蔽或者光刻方法進行構圖。可以選擇對該ITO膜進行退火。
圖9
圖9示出了TFT結構的第五變型40。該TFT結構40包括玻璃襯底2，在其上安置了溝道層41。在與相鄰于玻璃襯底2的表面相對的溝道層41的表面上提供有源電極43和漏電極42。柵絕緣層44安置在溝道層41、源電極43和漏電極42上。柵電極45安置在柵絕緣層44的頂表面上(在垂直視角上)。換言之，柵電極45和溝道層41提供在柵絕緣層44的相對表面上。所得到的結構定義限定了溝道層/柵絕緣層界面46。
例如，通過淀積和構圖限定了溝道層41的膜，可以制造該TFT結構40。例如，可以濺射淀積500的ZnO膜，并且然后通過陰影掩蔽或者光刻方法進行構圖。可以選擇對ZnO膜進行退火。然后可以淀積和構圖源電極43和漏電極42。例如，可以濺射淀積500的ITO源/漏電極膜，并且然后通過陰影掩蔽或者光刻方法進行構圖。可以選擇對該源/漏電極膜進行退火。隨后，柵絕緣層44可以淀積和構圖在溝道層41、源電極43和漏電極42上。例如，可以濺射淀積2000的Al2O3膜，并且然后通過陰影掩蔽或者光刻方法進行構圖。可以形成通過柵絕緣層44的過孔，用以電氣連接至源電極43和漏電極42。可以選擇對該Al2O3膜進行退火。然后柵電極45可以淀積和構圖在柵絕緣層44上。例如，可以濺射淀積2000的ITO膜，并且然后通過陰影掩蔽或者光刻方法進行構圖。可以選擇對該ITO膜進行退火。
圖10圖10示出了TFT結構的第六變型50。該TFT結構50包括玻璃襯底2，在其上安置了溝道層51、源電極52和漏電極53。在溝道層51、源電極52和漏電極53上淀積了柵絕緣層54。柵電極55安置在柵絕緣層54的頂表面上(在垂直視角上)。換言之，柵電極55和溝道層51提供在柵絕緣層54的相對表面上。所得到的結構限定了溝道層/柵絕緣層界面56。
例如，通過淀積和構圖限定了溝道層51的膜，可以制造該TFT結構50。例如，可以濺射淀積500的ZnO膜，并且然后通過陰影掩蔽或者光刻方法進行構圖。可以選擇對ZnO膜進行退火。然后可以通過選擇性地在溝道層51的末端摻雜In、Al、Ga或者任何其他適當的n型摻雜劑，制造源電極52和漏電極53。隨后，柵絕緣層54可以淀積和構圖在溝道層51、源電極52和漏電極53上。例如，可以濺射淀積2000的Al2O3膜，并且然后通過陰影掩蔽或者光刻方法進行構圖。可以形成通過柵絕緣層54的過孔，用以電氣連接至源電極52和漏電極53。可以選擇對該Al2O3膜進行退火。然后柵電極55可以淀積和構圖在柵絕緣層54上。例如，可以濺射淀積2000的ITO膜，并且然后通過陰影掩蔽或者光刻方法進行構圖。可以選擇對該ITO膜進行退火。
通過參考幾個實施例，說明和描述了所公開的器件和方法的原理，應當認識到，在不偏離這些原理的前提下，可以在配置和細節上對這些器件和方法進行修改。
權利要求
1.一種場效應晶體管，包括溝道層，其包括選自ZnO、SnO2或者In2O3中的基本絕緣的、基本透明的材料；柵絕緣層，其包括基本透明的材料，并且位于與溝道層相鄰，由此限定了溝道層/柵絕緣層界面；源極，其能夠將電子注入到溝道層中，用于在溝道層/柵絕緣層界面處進行積累；和漏極，其能夠從溝道層中抽取電子；其中該場效應晶體管被配置用于增強型操作。
2.權利要求1的晶體管，其中溝道層/柵絕緣層界面限定了源極和漏極之間的電子傳導溝道。
3.權利要求1的晶體管，其中場效應晶體管包括薄膜晶體管。
4.權利要求1的晶體管，其中溝道層材料是與柵絕緣層材料不同的材料。
5.權利要求1的晶體管，進一步包括柵電極和襯底，并且其中源極、漏極、柵電極和襯底中每一個均由基本透明的材料制成。
6.權利要求1的晶體管，進一步包括柵電極和襯底，并且其中源極、漏極、柵電極或襯底中的至少一個由不透明的材料制成。
7.權利要求1的晶體管，其中柵絕緣層包括Al2O3/TiO2。
8.權利要求5的晶體管，其中柵絕緣層包括Al2O3/TiO2或者Al2O3；源極、漏極和柵電極中每一個均包括氧化銦錫；并且襯底包括玻璃。
9.權利要求1的晶體管，其中溝道層/柵絕緣層界面限定了離散的材料邊界。
10.權利要求1的晶體管，其中場效應晶體管在電磁頻譜的可見光部分上呈現出通過該場效應晶體管的至少約50％的光透射率。
11.權利要求10的晶體管，其中在電磁頻譜的可見光部分上光透射率至少是約90％。
12.權利要求1的晶體管，其中溝道層不是離子注入的。
13.權利要求1的晶體管，其中溝道層材料呈現出不超過約5eV的能帶間隙。
14.權利要求1的晶體管，其中ZnO、SnO2或者In2O3具有降低了的氧缺位濃度。
15.一種場效應晶體管，包括溝道層，其包括選自基本絕緣的ZnO、基本絕緣的SnO2或者基本絕緣的In2O3中的基本透明的材料，該基本絕緣的ZnO、基本絕緣的SnO2或者基本絕緣的In2O3是通過退火工藝生產的；柵絕緣層，其位于與溝道層相鄰；源極；漏極；和柵電極；其中該場效應晶體管被配置用于增強型操作。
16.權利要求15的晶體管，其中柵絕緣層包括基本透明的材料。
17.權利要求16的晶體管，其中柵絕緣層包括Al2O3/TiO2。
18.權利要求15的晶體管，進一步包括襯底，其中源極、漏極、柵電極和襯底中每一個均由基本透明的材料制成。
19.權利要求15的晶體管，進一步包括襯底，并且其中源極、漏極、柵電極或襯底中的至少一個由不透明的材料制成。
20.權利要求15的晶體管，其中溝道層包括絕緣的ZnO，其是通過使ZnO膜在基本氧化或惰性的環境中在約300至約1000℃的溫度下退火約1分鐘至約2小時而制造的。
21.權利要求20的晶體管，其中柵絕緣層包括Al2O3/TiO2或者Al2O3；源極、漏極和柵電極均包括氧化銦錫；并且襯底包括玻璃。
22.權利要求15的晶體管，其中溝道層被置于柵絕緣層和源極和漏極之間。
23.權利要求15的晶體管，其中溝道層和柵電極分別安置在柵絕緣層的相對表面上。
24.權利要求15的晶體管，其中溝道層包括未摻雜的ZnO。
25.權利要求15的晶體管，其中溝道層材料呈現出不超過5eV的能帶間隙。
26.權利要求15的晶體管，其中溝道層未被置于柵絕緣層和源極和漏極之間。
27.權利要求15的晶體管，進一步包括襯底，并且其中柵電極被置于同襯底相鄰。
28.權利要求15的晶體管，其中經退火的ZnO、SnO2或者In2O3相比于未退火的ZnO、SnO2或者In2O3具有較低的氧缺位濃度。
29.一種薄膜晶體管，包括離散的溝道層，其包括選自ZnO、SnO2或者In2O3的無機的、基本絕緣的材料；柵絕緣層，其位于與溝道層相鄰；其中組合的溝道層和柵絕緣層的結構在電磁頻譜的可見光部分上呈現出通過該結構的至少約90％的光透射率，并且被配置用于增強型操作。
30.權利要求29的晶體管，其中組合的溝道層和柵絕緣層的結構在電磁頻譜的可見光部分上呈現出通過該結構的至少約95％的光透射率。
31.權利要求30的晶體管，其中溝道層包括絕緣的ZnO。
32.一種用于操作場效應晶體管的方法，包括提供場效應晶體管，其包括(i)溝道層，該溝道層包括選自ZnO、SnO2或者In2O3中的基本絕緣的、基本透明的材料；(ii)柵絕緣層，該柵絕緣層位于與溝道層相鄰，由此限定了溝道層/柵絕緣層界面；(iii)源極；(iv)漏極；和(v)柵電極；和向柵電極施加正電壓，用以引發在溝道層/柵絕緣層界面處的電子流動，其中在不施加正電壓時基本上不會有電流產生。
33.權利要求32的方法，其中柵絕緣層包括基本透明的材料。
34.權利要求32的方法，其中在溝道層/柵絕緣層界面處流動的電子具有約0.05cm2V-1s-1至約20cm2V-1s-1的有效遷移率。
35.權利要求32的方法，其中約5至約40V的電壓施加到柵電極和漏極。
36.一種用于制造增強型的場效應晶體管的方法，包括將ZnO、SnO2或者In2O3淀積在柵絕緣層表面的至少一部分上；和使ZnO、SnO2或者In2O3在氧化或者惰性環境中在約300至約1000℃的溫度下退火約1分鐘至約2小時。
37.權利要求36的方法，其中淀積ZnO。
38.權利要求36的方法，其中柵絕緣層包括基本透明的材料。
39.權利要求36的方法，其中退火溫度是約700至約800℃。
40.權利要求36的方法，進一步包括，在ZnO、SnO2或者In2O3層上淀積至少一種用于形成源極和漏極的材料。
41.權利要求36的方法，進一步包括，在淀積ZnO、SnO2或者In2O3之前，在柵絕緣層上淀積至少一種用于形成源極和漏極的材料。
42.權利要求41的方法，其中用于形成源極和漏極的材料被通過離子束濺射淀積在柵絕緣層上，并且ZnO擴散的退火向ZnO中摻雜源極和漏極材料。
43.一種用于制造增強型的場效應晶體管的方法，包括將ZnO、SnO2或者In2O3淀積在柵絕緣層表面的至少一部分上；和處理ZnO、SnO2或者In2O3，使得經處理的ZnO、SnO2或者In2O3相比于未處理的ZnO、SnO2或者In2O3具有較高的電阻率和較低氧缺位濃度。
44.一種光電顯示器件，包括至少一個聯接到開關的顯示元件，該開關包括根據權利要求1的增強型場效應晶體管。
45.權利要求44的光電顯示器件，其中該器件包括有源矩陣液晶顯示器。
46.一種光電顯示器件，包括至少一個聯接到開關的顯示元件，該開關包括根據權利要求15的增強型場效應晶體管。
47.權利要求46的光電顯示器件，其中該器件包括有源矩陣液晶顯示器。
48.一種基本透明的動態隨機存取存儲單元，包括聯接到根據權利要求1的增強型場效應晶體管的基本透明的電容器。
49.一種基本透明的動態隨機存取存儲單元，包括聯接到根據權利要求15的增強型場效應晶體管的基本透明的電容器。
50.一種基本透明的邏輯反相器，包括聯接到根據權利要求1的增強型場效應晶體管的負載器件。
51.一種基本透明的邏輯反相器，包括聯接到根據權利要求15的增強型場效應晶體管的負載器件。
52.一種放大器，包括根據權利要求1的增強型場效應晶體管。
53.一種放大器，包括根據權利要求15的增強型場效應晶體管。
54.一種微電子結構，包括連續的溝道層膜，其包括選自ZnO、SnO2或者In2O3的基本絕緣的材料；以及多個已構圖的柵絕緣層、源極和漏極，其被配置成使得每個柵絕緣層、源極和漏極連同連續的溝道層膜一起形成離散的電氣器件，其中柵絕緣層位于與連續的溝道層膜相鄰，由此限定了溝道層/柵絕緣層界面。
55.權利要求54的微電子結構，其中連續的溝道層膜是未構圖的。
56.權利要求37的方法，進一步包括，將受主摻雜劑引入到ZnO中。
57.權利要求36的方法，其中淀積ZnO、SnO2或者In2O3包括，在包括至少一種濺射氣體和至少一種能夠調整由ZnO、SnO2或者In2O3形成的膜的氣體的環境中，濺射淀積ZnO、SnO2或者In2O3。
58.權利要求57的方法，其中膜調整氣體包括至少一種選自氧化氣體和摻雜劑氣體中的氣體。
59.權利要求58的方法，其中氧化氣體包括氧，并且摻雜劑氣體包括氮。
60.權利要求36的方法，其中使ZnO、SnO2或者In2O3退火約1分鐘至約5分鐘。
61.權利要求1的晶體管，其中ZnO、SnO2或者In2O3具有減小的氧缺乏程度。
62.權利要求15的晶體管，其中經退火的ZnO、SnO2或者In2O3相比于未退火的ZnO、SnO2或者In2O3具有較低的氧缺乏程度。
全文摘要
增強型場效應晶體管，其中至少一部分晶體管結構可以是基本透明的。該晶體管的一個變型包括溝道層，其包括選自ZnO、SnO
文檔編號H01L29/02GK1656618SQ03811678
公開日2005年8月17日 申請日期2003年5月15日 優先權日2002年5月21日
發明者構翰·F·沃格三世, 蘭迪·L·霍夫曼 申請人:俄勒岡州，由高等教育州委員會代表俄勒岡州立大學