基于IGZO的薄膜晶体管结构设计和性能研究

发布时间：2020-01-23 11:58

【摘要】：薄膜晶体管(Thin Film Transistor,TFT)是组成有源有机发光二极管和液晶显示器的重要组成部分。近年来,以非晶铟镓锌氧化物为代表的透明非晶氧化物半导体成为下一代液晶显示技术控制元件的首选者。本文重点从以下几个方面对非晶铟镓锌氧薄膜晶体管进行研究。薄膜晶体管的有源层和介质层之间的缺陷态是制约器件性能的重要参数,因此,本论文首先仿真分析带尾态缺陷、深能级缺陷和界面电荷对薄膜晶体管性能的影响。结果表明,带尾态缺陷影响器件的开态特性;深能级缺陷影响器件的亚阈值区;界面电荷从Qf=1.0E11增加至Qf=4.0E12时,器件由增强型转换为耗尽型。因此在实际制备工艺过程中应优化工艺条件,尽可能降低有源层和介质界面处的缺陷态密度,改善薄膜的成膜质量。介质层的介电常数同样是影响器件性能的重要参数,本文设计了不同介电常数的介质层,并主要以高介电常数材料为主,对非晶铟镓锌氧薄膜晶体管的性能进行研究和分析,研究中同时考虑了材料之间的界面特性,引入叠层结构,设计了SiO2/高K介质的叠层结构作为栅介质层的方案;对叠层结构的厚度进行了优化,分析栅介质层厚度对器件性能的影响。除此之外,有源层的厚度也会对器件性能产生影响,因此本文也对有源层的厚度进行了优化,从而使器件的性能进一步得到提升。通过上述优化分析,当器件沟道长度为30 um,采用厚度参数为30/50 nm的SiO2/HfO2叠层结构作为栅介质层,有源层厚度则优化为120 nm,此时,器件获得了最佳的综合性能:电流开关比达到108,阈值电压为0.6V,场效应迁移率为13.5cm2/v.s。基于上述结构,模拟双栅非晶铟镓锌氧薄膜晶体管在不同模式下的性能。通过比较不同模式下器件特征参数的曲线图,分析发现短路连接模式使得器件性能最优,底接触模式次之,最后是顶接触模式。同时,与单栅薄膜晶体管相比较,当沟道长度减小至4 um时,单栅器件的阈值电压偏移较大,出现短沟效应;而双栅器件的阈值电压只在一定范围内浮动,能够有效的抑制短沟效应。本文的最后通过Athena工艺软件模拟双栅薄膜晶体管的工艺流程,证实了制备双栅薄膜晶体管的可行性。
【图文】：

不同厚度,透过率

图 1.1 不同厚度 IGZO 的透过率物半导体的研究进展F. Wager 等人[5-6]分别在 Science 等权威杂志上发表了以 ZnO膜晶体管（TAOS TFT，Transparent Amorphous Oxide Semic并首次提出透明电子学的概念。近年来，由于其优秀的特性工业界的广泛关注。目前几种主流的 TFT 性能参数比较如表表 1.1 几种主流的 TFT 技术性能指标参数比较管非晶硅多晶硅非温度 ~250℃ ~500℃ R2/V.s） < 1 50 ~ 200 好差

场效应迁移率,载流子传输,电子结构,硅基

南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第一章绪论于 Kengi、Nature 杂志。Hosono 团队制作的器件场效应迁移率达到约 14 cm2V-1s-1,比常规的氢化非晶硅 TFT 高一个数量级之多。他的研究成果引发了科技工作者对氧化物半导体材料的研究热潮[15,16]，比如 In2O3[17],InZnO(IZO)[18],In-Ga-Zn-O(IGZO)[19-21],Zn-Sn-O(ZTO)[22,23]。1.3.2 a-IGZO 薄膜的电子输运特性a-IGZO 属于 n 型半导体，，对于非晶态的 IGZO 材料具有不逊于其在晶体结构时的场效应迁移率，是 a-IGZO 诸多特性中显得尤为重要的一个。这使得 IGZO 材料可以在非晶态时可以达到较高的场效应迁移率，从而即具备高迁移率又具备了优秀的均一性等优势。之所以具备这些优势，，可以从 IGZO 化合物的电子结构中得到答案。
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN321.5

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