铟镓锌氧薄膜的制备、物性及相关器件研究

发布时间：2017-05-23 11:09

  本文关键词：铟镓锌氧薄膜的制备、物性及相关器件研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：薄膜晶体管(Thin Film Transistor, TFT)是由金属电极层,半导体有源层和栅介质绝缘层组成的场效应器件,它是有源有机发光二极管(Active Matrix Organic Light Emitting Diode, AMOLED)和液晶显示器(Liquid Crystal Display, LCD)等驱动电路的核心部件。非晶硅薄膜晶体管载流子迁移率低：多晶硅薄膜晶体管制造工艺复杂,成本高,存在晶界,均一性差,难以大面积生产；有机薄膜晶体管制备简单,但在载流子迁移率、稳定性方面都不能达到有源有机发光二极管和大尺寸液晶显示器快速发展的要求。近年来,以透明非晶氧化物半导体为有源层的薄膜晶体管(TAOS-TFT)因与传统的非晶硅薄膜晶体管相比具有诸多优势,例如：制备工艺简单,低的制备温度(室温下即可制备),高的载流子迁移率(大于10cm2/Vs),高的可见光透明度,较强稳定性,大面积制备均一性等而备受关注,有望成为下一代显示技术的核心驱动原件。其中,铟镓锌氧(IGZO)薄膜晶体管是其中的显著代表。因此,对铟镓锌氧化物薄膜晶体管的研究工作具有重要意义。有源层的成膜质量和厚度等因素直接影响薄膜晶体管的性能,在薄膜的沉积过程中的沉积条件对薄膜的质量有重要影响,沉积方法、基底温度和氧氩分压比等都可以直接影响薄膜的质量；要得到质量高的铟镓锌氧薄膜晶体管,选择合适的栅介质材料至关重要。栅介质材料要求低的陷阱态密度,要能减小薄膜晶体管的开启电压。同时,电介质/铟镓锌氧异质结的价带偏移和导带偏移是选择合适的栅介质材料的重要依据。因此,在本论文中我们从以下三个方面研究铟镓锌氧薄膜和器件：(1)用射频磁控溅射制备铟镓锌氧薄膜,系统研究不同氧氩分压比和沉积时的衬底温度对铟镓锌氧薄膜的结构、形貌、光学性质及电学性质的影响。研究结果表明：改变氧氩分压比可以调节薄膜的带隙,增加沉积温度可以有效改善薄膜的质量,降低薄膜的电阻率。(2)用射频磁控溅射制备HfTiO/IGZO和IGZO(N)/Si异质结,研究HfTiO/IGZO和IGZO(N)/Si异质结的导带偏移和价带偏移,有效获取了HfTiO/IGZO和IGZO(N)/Si异质结的能带偏移,为理解基于IGZO的相关器件的电子传输机制研究提供了实验基础。(3)用射频磁控溅射制备Al/HfOxNy/IGZO/Si/Al MOS和Al/IGZO/SiO2/Si/AlTFT器件,研究不同氮掺杂浓度对Al/HfOxNy/IGZO/Si/Al MOS器件的电学性能的影响,结果显示N掺杂Hf02薄膜可以提高薄膜的介电常数和结晶温度,有效改变薄膜的带隙,降低MOS器件的漏电流,提高MOS器件的性能。TFT器件性能不理想,相关工作有待进一步的研究。
【关键词】：铟镓锌氧薄膜 磁控溅射 能带偏移 MOS 薄膜晶体管(TFT)
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-16
• 1.1 引言9
• 1.2 MOSFET和TFT简介及工作原理9-13
• 1.2.1 MOSFET工作原理简介10
• 1.2.2 等效氧化层厚度10-11
• 1.2.3 TFT工作原理简介11-13
• 1.3 薄膜晶体管的发展13-14
• 1.3.1 非晶硅薄膜晶体管13
• 1.3.2 多晶硅薄膜晶体管13-14
• 1.3.3 有机薄膜晶体管14
• 1.3.4 氧化物薄膜晶体管14
• 1.4 本论文的研究内容和意义14-16
• 第二章 样品制备仪器和材料分析测试仪器16-25
• 2.1 高真空物理沉积系统16-18
• 2.1.1 超声清洗器16
• 2.1.2 射频磁控溅射系统16-17
• 2.1.3 快速退火炉17-18
• 2.2 材料分析测试仪器18-25
• 2.2.1 X射线衍射仪(XRD)18-19
• 2.2.2 紫外-可见光谱仪(UV-VIS)19-20
• 2.2.3 椭圆偏振仪(SE)20-22
• 2.2.4 原子力显微镜(AFM)22-23
• 2.2.5 X-ray photoelectron spectroscopy23
• 2.2.6 电学测试仪器23-25
• 第三章 氧氩分压比对铟镓锌氧薄膜的结构,光学及电学性能的影响25-38
• 3.1 铟镓锌氧薄膜的制备25-28
• 3.1.1 基片的清洗25-26
• 3.1.2 铟镓锌氧薄膜的制备参数26
• 3.1.3 磁控溅射仪的操作流程26-28
• 3.2 铟镓锌氧薄膜的表征和特性研究28-37
• 3.2.1 铟镓锌氧薄膜的沉积速率28-29
• 3.2.2 铟镓锌氧薄膜的微结构分析29
• 3.2.3 铟镓锌氧薄膜的光学特性分析29-34
• 3.2.4 铟镓锌氧薄膜的SEM和AFM分析34-36
• 3.2.5 铟镓锌氧薄膜的电学性质36-37
• 3.3 本章小结37-38
• 第四章 不同沉积温度对铟镓锌氧薄膜的结构,光学及电学性质的影响38-46
• 4.1 薄膜制备条件38
• 4.2 铟镓锌氧薄膜的微结构分析38-39
• 4.3 铟镓锌氧薄膜的光学特性分析39-41
• 4.4 铟镓锌氧薄膜的电学性质分析41-42
• 4.5 铟镓锌氧薄膜的XPS分析42-45
• 4.6 本章小结45-46
• 第五章 HfTiO/IGZO和IGZO(N)/Si异质结界面及能带结构分析46-61
• 5.1 HfTiO/IGZO异质结的能带偏移46-53
• 5.1.1 HfTiO/IGZO薄膜制备条件46-47
• 5.1.2 HfTiO和IGZO薄膜的微结构分析47-48
• 5.1.3 HfTiO和IGZO薄膜的透射和带隙48
• 5.1.4 HfTiO/IGZO异质结的XPS分析48-52
• 5.1.5 HfTiO/IGZO异质结的导带偏移和价带偏移52-53
• 5.2 不同氮气掺杂量对IGZO(N)/Si异质结的能带偏移的影响53-59
• 5.2.1 IGZO(N)/Si薄膜制备条件53
• 5.2.2 IGZO(N)/Si异质结的XPS分析53-55
• 5.2.3 IGZO(N)薄膜的透射和带隙55
• 5.2.4 IGZO(N)/Si异质结的导带偏移和价带偏移55-59
• 5.3 本章小节59-61
• 第六章 HfO_xN_y/IGZO MOS和铟镓锌氧薄膜晶体管的研究61-76
• 6.1 HfO_xN_y/IGZO MOS的研究61-71
• 6.1.1 HfO_xN_y/IGZO MOS的制备条件61-62
• 6.1.2 HfO_xN_y/IGZO异质结的XPS分析62-63
• 6.1.3 HfO_xN_y/IGZO异质结的导带偏移和价带偏移63-66
• 6.1.4 HfO_xN_y/IGZO MOS的C-V研究66-68
• 6.1.5 HfO_xN_y/IGZO MOS的I-V和漏流机制研究68-71
• 6.2 铟镓锌氧薄膜晶体管71-74
• 6.2.1 铟镓锌氧薄膜晶体管的制备条件72
• 6.2.2 铟镓锌氧薄膜晶体管的输出特性曲线和转移特性曲线72-74
• 6.3 本章小结74-76
• 第七章 总结与展望76-78
• 7.1 结论76-77
• 7.2 有待探讨的问题77-78
• 参考文献78-86
• 附录：硕士期间发表的论文86-88
• 致谢88-89

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本文编号：387756