p型NiO_x-TFT器件的制备工艺探索与性能优化

发布时间：2020-04-26 10:25

【摘要】：当前n型氧化物薄膜晶体管(TFT)已经能够胜任平板显示器件,但是更复杂的应用却需要基于n型及p型半导体的互补金属-氧化物-半导体(CMOS)构架。由n型及p型薄膜晶体管共同构成的CMOS器件是复杂逻辑电路的基石,其具有功耗低、速度快、抗干扰能力强、集成度高等优点。遗憾的是,大部分氧化物半导体都是n型的,p型氧化物半导体种类异常稀少且性能(器件迁移率等)远远落后于n型材料,这严重制约了基于氧化物半导体CMOS器件的发展。近年来,NiO_x由于其优异的光学性能和化学稳定性吸引了广泛的关注,是一种非常有前景的p型氧化物半导体材料。然而,对p型NiO_x-TFT的研究仍然处于初步阶段,需要进一步探索。本论文对溶液法制备p型NiO_x薄膜及其TFT器件进行了系统的研究,主要内容如下:第一,研究了不同退火温度对NiO_x-TFT器件性能的影响,发现器件的综合电学性能随着退火温度的升高先变好后变差。这主要是因为随着退火温度的升高,逐步消除了NiO_x薄膜中的有机残留物(C-,N-等相关组分),从而使器件性能有了明显的改善。然而,随着退火温度的进一步升高,由于表面原子的团簇现象,加重了频繁的散射事件;而且在更高的退火温度下,进一步减少了Ni~(2+)空位,降低了空穴载流子的浓度,这些都导致了器件性能的变差。实验表明250℃是最佳退火温度。第二,研究了不同有源层的厚度对NiO_x-TFT器件的影响。发现有源层厚度过小,空穴载流子会受到NiO_x薄膜背表面散射的影响,导致器件无法开启。有源层的厚度过大,NiO_x薄膜内部的缺陷态急剧增大,增加了空穴载流子在输运过程中散射及俘获的几率,从而使迁移率下降。第三,为了进一步提高器件的电学性能,我们研究了不同源漏电极及前驱体溶液中乙醇胺(MEA)的掺入对NiO_x-TFT器件的影响。研究表明金属电极的选择对NiO_x-TFT器件性能有较大的影响。同时我们发现前驱体溶液中MEA掺入会直接影响空穴载流子的含量。通过优化实验条件,NiO_x-TFT器件表现出良好的电学性能:μ(迁移率)=0.48cm~2v~(-1)s~(-1),S(亚阈值摆幅)=1.22 V/Dec,V_(th)(阈值电压)=11.8 V,I_(on/off)(开关比)=1.7×10~3。第四,我们采用溶液法制备出的Al_2O_3代替传统的SiO_2栅介质,制备出了的NiO_x/Al_2O_3 TFT器件表现出了优异的电学性能:μ=5.92 cm~2v~(-1)s~(-1),S=0.13 V/Dec,V_(th)=-0.83 V,I_(on/off)=3.5×10~6。NiO_x/Al_2O_3 TFT比NiO_x/SiO_2 TFT器件迁移率增大了10倍,阈值电压减小了15倍,开关比增大了三个数量级,电学性能得到了极大的提高。这主要归因于Al_2O_3较大的单位面积电容以及NiO_x和Al_2O_3低的界面态密度。
【图文】：

p 型 NiOx-TFT 器件的制备工艺探索与性能优化氧化物半导体，特别是基于溶液法工艺的高质量 p 型 TFT 器件，对实现基于氧化物体的低成本大面积 CMOS 电路具有十分重大的意义[20-32]。.2 TFT 的器件原理以及主要性能参数.2.1 TFT 的主要结构TFT 是一种场效应晶体管，其通过三个电极控制器件的开启和关闭，根据栅电极导体沟道层相对位置的不同，以及沟道层和源漏电极的位置不同，可分为四种结构图 1.1 所示，TFT 分为底栅顶接触型，底栅底接触型，顶栅顶接触型，顶栅底接触种结构[9]。

如果此时施加一定的源漏电压 VDS源漏电流 IDS由此而产生，在绝缘层和有源层之间形成的有效导电沟道类似于恒电电阻，IDS随着 VDS的增大而增大，呈正相关性。随着栅极电压的增大，导电沟通的厚度也会相应增加，即栅极电压越大，有效沟道处的电阻越小。由此施加同样的漏极电压，源漏电流就会越大，IDS的大小可以表示为：DSFEoxGSTDSC(VaV)VLWI μ (1-2)方程中：μFE代表沟道的场效应迁移率，Cox代表绝缘层的单位电容，Vth代表阈值电压，W 导电沟道的宽度，L 代表导电沟道的宽度。饱和区：在这个区域内，漏极电压高于栅极电压，导致载流子在线性区域产生的导电沟道中扩散开来，源漏电流在比半导体/电介质界面更宽的区域内流动，，靠近漏极附近的积累层中的电荷耗尽而导致缺少有效的导电沟道，此时被定义为夹断点。当"#VDS"#>"#VGS- Vth"#时，出现夹断点。IDS由 VGS控制，大致可以描述为：2DSsatoxGSth(VV)LWI μC (1-3)(a) (b)
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2;TN321.5

【相似文献】

相关硕士学位论文 前1条

1 张军鹏;p型NiO_x-TFT器件的制备工艺探索与性能优化[D];深圳大学;2018年

本文编号：2641400