溶液法制备铟镓锌氧化物薄膜的特性研究

发布时间：2020-07-23 18:43

【摘要】：非晶透明氧化物半导体(A-TOS)的出现促进了显示技术的飞速发展。以非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)半导体为代表的TFT以其优良的电学性能和光学性能而越来越受到广泛的关注;如较高载流子场效应迁移率μ_(EE),开关电流比I_(on)/I_(off),优良的光学透过率,大面积制造仍能保持良好的均一性以及制备工艺简单,成本低等。基于以上各种优点,a-IGZO-TFT被广泛认为是a-Si的替代者以及新一代显示技术的重要技术节点。目前,国内外已有相关的初代产品问世。虽然a-IGZO-TFT具有众多的优良特性,但是由于在偏压和光照条件下的不稳定性和不可靠性缺点而未能广泛的投入市场。不论是在液晶显示还是有源矩阵发光二极管中,TFT均需要在光源照射和电压偏置的情况下工作,因此,a-IGZO-TFT的偏压稳定性和可靠性都需要得到改善。同时,a-IGZO属于非晶材料,高密度的界面陷阱态会严重影响器件的稳定性和可靠性;另外,如何从器件结构入手进一步改善TFT的性能也需要进一步研究。本文采用溶液法制备了实验样品,主要探究如何改善界面态稳定性以及如何从器件结构入手改善TFT的性能,通过测试和分析,主要的研究结果归纳如下。1.在退火温度为300℃工艺条件下,制备了单层a-IGZO,a-IZO和双层a-IGZO/IZO薄膜样品,结合安捷伦半导体参数分析仪,测量其电流随偏压时间的变化特征。发现在相同工艺条件和同一测试环境下,双层a-IGZO/IZO薄膜样品的电流变化量ΔI大于单层a-IGZO,a-IZO薄膜样品。结果进一步揭示,由于双层结构中存在界面载流子陷阱,载流子运输时可以被界面载流子陷阱态俘获。2.探讨了退火温度对双层薄膜样品稳定性的影响。退火温度从220℃升高至300℃时,双层薄膜样品的稳定性提高,电流随偏压时间的变化量ΔI减小,这表明随着温度的升高界面陷阱态密度降低,故对载流子俘获率降低即界面处载流子累积减小,形成的电场也减小,在一定程度上可以降低对载流子输运的阻碍,对双层薄膜器件的研究具有一定的参考价值。3.利用喷墨打印技术和溶液旋涂法制备了单有源层和双有源层薄膜场效应晶体管,探讨了器件结构对器件性能的影响。通过安捷伦半导体参数分析仪对a-IGZO/IZO-TFT,a-IGZO-TFT,a-IZO-TFT器件的开关电流比,阈值电压,迁移率进行了对比研究分析;同时测试了其输出特性,发现双有源层器件性能参数优于单有源层器件,对改善TFT器件性能具有一定指导意义。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN321.5;TB383.2
【图文】：

示意图,非晶半导体,载流子输运,单晶

(b)非晶共价半导体 (d)掺重金属非晶氧化物半导体图 1-1 单晶和非晶半导体载流子输运轨道示意图1.3 非晶铟镓锌氧化物半导体由 ZnO 基材料发展而来的掺杂氧化物非晶半导体展现出很好的性能，其中以 In2O3，Ga2O3和 ZnO 构成的非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)半导体更是有着很多优越的特性[28]。1.3.1 非晶铟镓锌氧化物的电学特性非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)半导体有着很多优异的性能，近年来受到越来越多的关注。a-IGZO-TFT 在 AMOLED 中更是起着举足轻重的作用，且随着技术的发展对 a-IGZO的电学性能要求也越来越严格。从制备温度和器件均一性来看，非晶态半导体优于多晶半导体。a-IGZO 半导体在性能上亦是优于其他非晶半导体。目前 a-IGZO-TFT 已经能够实现≥1010的开关电流比。a-IGZO 的电子迁移率在 2~50 cm2/V-s 之间，是 a-Si 面板的20~50 倍，且其制备的时配线变细，可实现同等透过率下 4 倍的分辨率。另外，IGZO面板的关断能优越，具有漏电流 Ioff低，功耗低的优点。a-IGZO 新型的高 OFF 性能驱动方式实现了面板的低功耗驱动，当 a-IGZO 面板处于关闭状态时，漏电流是 a-Si 的 1%，

小组,实物,玻璃衬底,衬底

玻璃衬底 a-IGZO 磁控技术 7.18 0.44 0.25 ~108顶栅，塑料衬底 a-IGZO PLD 技术 8.3 1.6 — ~103顶栅，塑料衬底 a-IGZO 磁控技术 ~10 3.03 1.47 2.9×107底栅，玻璃衬底 a-IGZO 磁控技术 28 3.2 0.56 ~107底栅，玻璃衬底 a-IGZO 热蒸发 130 0.1 0.8 7×104底栅，玻璃衬底 a-IGZO 磁控技术 35.8 5.9 0.59 4.9×106底栅 n+Si 衬底 a-IGZO 磁控技术 16.6 0.1 0.18 ~107底栅，n+Si 衬底 a-IGZO 磁控技术 13.4 3.7 0.18 ≥1010在国外对于 a-IGZO 特性的研究较早。如图 1-2 所示是 Hideo Hosono 小组在 PET 沉底上制作的 a-IGZO-TFT 器件结构。从图中可以看到，a-IGZO 可以实现柔性功能，这对以后柔性显示的发展有着很大的推动作用。不仅如此，Hosono 还发现，尽管在弯曲情况下测试，其开关电流比高达~103，载流子饱和迁移率为 7 cm-2/V-s，其测试结果如图1-3 所示[29]。Yabutta 等在室温环境下，以磁控溅射技术的方法在玻璃衬底上制备出了a-IGZO 薄膜。发现溅射薄膜与溅射气氛的氧分压存在很大关系，其发现当溅射腔体内气体 O2/(O2+Ar)由 3.1%上升到 3.7%时，薄膜的电导率从 10-3S·cm-1下降到 10-6S·cm-1即 a-IGZO 薄膜通过改变制备工艺条件，可以改变薄膜的迁移率，电导率等性能参数。

电学特性,小组,情况

图 1-3 Hosono 实验小组在弯曲情况所测试下 a-IGZO 的电学特性以 a-IGZO 作为有源层材料的器件具有很好的载流子迁移率和较高的开关电流比等优异的特性主要有以下几个原因。从能带角度来看，a-IGZO 的导带是 In3+的 5s 轨道，因为 In 离子的原子半径较大，所以即便是无序性排列的 In 离子仍然可以和周围的 In 离子发生轨道交叠，形成有效导电路径。第二个原因是 a-IGZO 相比于 a-Si:H 有较低的带尾态密度(＜1020cm-3eV-1)，在载流子流动过程中，费米能级不会被钉扎[30]，而且费米能级能够超过迁移率边，此时其导电机制主要以扩展态导电为主，具有较高的迁移率。另外一个是因为其具有独特的渗流导电机制，渗流导电路径如图 1-4 所示[31]。(a)(b)

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