氧化铟基薄膜晶体管的溶液法制备与性能提升的研究

发布时间：2020-04-29 13:19

【摘要】：氧化物薄膜晶体管具有迁移率高、透过率高,制备工艺简单等特点,符合现代显示技术对薄膜晶体管的要求。随着科学技术的发展,诸多的氧化物薄膜晶体管的制备工艺被开发应用。与磁控溅射、原子层沉积、分子束外延法等其他制备工艺法相比,溶液法易于实现制造大面积、低成本、透明、多组分的薄膜。然而溶液法制备的氧化物薄膜晶体管存在迁移率较低、关态电流较大和稳定性较差等关键性技术难题,这些限制了它在平板显示器中的应用。同时本文以乙二醇甲醚为溶剂,使用溶液法制备In_2O_3薄膜晶体管。研究发现,In_2O_3薄膜晶体管具有较大的关态电流和较差的稳定性。为了优化In_2O_3薄膜晶体管的电学性能和稳定性,本文提出Mg、La等金属阳离子抑制In_2O_3薄膜中氧空位的方法,改善器件的界面缺陷,建立掺杂量、氧空位及性能稳定性之间的关联。为进一步降低薄膜晶体管的阈值电压,提升工艺兼容性,本文引入溶液法制备的高介电常数绝缘层,探索高介电常数绝缘层与有源层之间的界面特性。此外,针对乙二醇甲醚有机溶剂对环境不友好,需要高温退火工艺等技术难题。本研究采用绿色环保安全的水溶液法制备了新型In_2O_3薄膜晶体管,探索水溶液制备的InYO薄膜晶体管的电学性能以及稳定性提升的物理机制。本论文详细研究内容和创新点如下:1.溶液法制备了Mg掺杂的In_2O_3薄膜晶体管。研究发现,随着Mg掺杂量的增加,MgInO薄膜晶体管的电学性能和稳定性都得到了很大的优化。对于0.75 mol%Mg掺杂浓度的MgInO薄膜晶体管显示出优异的电学性能(13.77 cm~2V~(-1)s~(-1)的场效应迁移率,0.85 V/dec.的亚阈值摆幅和2.84 V的阈值电压)和较好的温度和正偏压稳定性。MgInO薄膜晶体管的性能提高主要归因于Mg的掺杂减少氧空位,使得缺陷态密度减小。2.溶液法制备了基于ZrO_2绝缘层LaInO薄膜晶体管。结果显示,基于ZrO_2绝缘层的In_2O_3薄膜晶体管有较高的迁移率,但是In_2O_3薄膜晶体管具有较差的温度稳定性和栅极偏压稳定性。因此,使用La元素掺杂来优化In_2O_3薄膜晶体管的性能。随着La掺杂量的增加,饱和迁移率从48.8降低到32.7 cm2 V-1s-1,阈值电压由1.12增加到1.76V。当La掺杂浓度为10 mol%时,La In O薄膜晶体管有一个最小的亚阈值摆幅(0.12 V/dec.)。同时,稳定性也得到了明显提高。因为La-O较强的键合能力会导致氧空位的减少。XPS的分析结果也证明了这个原因。3.基于YAlO高介电常数绝缘层溶液法制备及TFT性能提升研究。研究发现,通过掺入Al元素可以增强Y_2O_3绝缘层的耐湿性,降低了绝缘层和有源层之间界面的粗糙度,减少了界面的缺陷态密度。Y_2O_3薄膜的RMS为0.76 nm,呈现较大的表面粗糙度。随着Al掺杂浓度由5 mol%(Al/(Y+Al))变化至15 mol%时,RMS由0.52减少至0.25 nm。基于15 mol%的Al掺杂的Y_2O_3绝缘层的In_2O_3薄膜晶体管具备了19.5 cm~2V~(-1)s~(-1)的迁移率,1.58 V的低阈值电压和较好的器件稳定性。4.采用健康、安全和环保的制备方法—水溶液法,低温制备了新型InYO薄膜晶体管,并详细讨论了Y元素的掺杂量对In_2O_3薄膜晶体管的电学性能和稳定性的影响。结果表明,随着Y掺杂含量的增加,InYO薄膜晶体管的迁移率有所下降,但是In_2O_3薄膜晶体管的正偏压和光照负偏压稳定性得到了明显提高。当Y的掺杂浓度为4 mol%时,In YO薄膜晶体管表现出最小的正偏压下的阈值电压偏移量(0.23 V)和光照负偏压下的阈值电压偏移量(0.86 V)。采用XPS分析对氧空位缺陷态进行表征分析。发现稳定性提升的原因主要是源于Y元素能有效地抑制氧空位产生,减小In_2O_3薄膜晶体管的缺陷态密度。
【图文】：

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位论文消费类产品，如摄像机，电视机和大型投影机。图 1-1 显示机上的应用。1995 年，10 英寸的 TFT-LCD 产品被制造出示产品。自 1997 年以来，11.3 英寸，12.1 英寸和 15 英寸主流产品。在国内市场上，中国已经增加了对这一领域的投已经推出台式 PC 和 TCL 等液晶显示屏，大量中小制造商示器。在 2000 年后的短短几年里，京东方，天马等公司建立并投入使用。TFT-LCD 在国内从无到有发展迅速，并在电泛的应用。

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AMOLED 触摸屏在 2010 年问世，很快被应用于高端显示屏，，获得了泛的认可和赞赏。CITE2015 之后，物联网，移动互联网和大数据等高端信息术正在引领我们进入智能新时代。作为智能时代人机交互的重要窗口，显示器在经历一场重大革命。目前，TFT-LCD 技术已经成熟。在新的信息革命刚刚开的时候，TFT-LCD 技术已经不能适应科学技术的发展。因此，需要迅速出现新代显示技术以适应新时代的发展。在同时召开的 2015 中国（国际）平板显示产业大会上，维信诺，京东方，天马等显示器厂商展示了自己的 AMOLED 显屏，被称为“下一代显示技术”。上海和辉光电股份有限公司的韩和滨在主题言中指出：“当智能波浪席卷全球时，中国已成为全球智能产品最大的市场。MOLED 显示器本质上卓越的性能已成为智能波的宠儿和旗舰产品的首选。目，AMOLED 显示器已经应用到了我们生活的各个方面。手表和显示屏上的MOLED 应用程序如图 1-2 所示。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN321.5;TB383.2

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