金属氧化物半导体薄膜晶体管的氢掺杂探究与双层结构设计

发布时间：2020-03-22 04:14

【摘要】：近年来,透明柔性显示器件正处于一个极速发展的过程之中,这进一步地提高了作为关键开关元件的薄膜晶体管(Thin Film Transistors,TFTs)性能要求。氧化物半导体尤其是非晶氧化物半导体,作为目前最主流的TFTs有源沟道层材料,具有许多引人注目的优点,如较高的迁移率,优良的机械柔韧性,较高的光学透明度以及简单的低温制备工艺等,是目前最有潜力替代传统a-Si:H的材料之一。本文针对当前较为热门的ZnO、In_2O_3和InGaZnO等非晶氧化物半导体,采用射频磁控溅射的方式制备了相关器件,对它们进行了氢掺杂效应的探究和双层结构的设计,具体相关内容如下:首先,我们使用磁控溅射制备了ZnO、In_2O_3和InGaZnO TFTs,并对它们分别进行了氢等离子体处理,处理时间从0~12 min变化。当氢等离子体处理时间从当0 min增加到5 min,ZnO:H-TFTs的阈值电压不断负偏,从1.1 V减小-23.4 V,处理时间增大到8 min以上时,器件无法关断。当处理时间从0 min增加到12 min,ZnO:H-TFTs的迁移率从3.8 cm~2/Vs增大到14.3 cm~2/Vs;当氢等离子体处理时间从0 min增加到9 min,InGaZnO:H-TFTs的阈值电压不断负偏,从0.1 V减小-27.1 V,当处理时间增大到10 min以上时,器件无法关断。然而,与ZnO-TFTs不同的是,当处理时间从0 min增加到12min,InGaZnO:H-TFTs的迁移率出现减小的情况,0 min时为26.0 cm~2/Vs,3 min时迁移率达到最高(36.6 cm~2/Vs),继续增加处理时间,迁移率减小。然而,当时间增加到12min时,器件无法关断;In_2O_3-TFTs与ZnO-TFTs和InGaZnO-TFTs不同,随着氢等离子体处理时间的不断增加,转移特性曲线先左移然后右移,器件的开态电流经历了先增加后减小的过程。当处理时间从0 min增加到6 min,器件的阈值电压不断负偏,从-4.5V减小-35.2 V,迁移率从35.0 cm~2/Vs增大到55.9 cm~2/Vs,当处理时间继续增加,器件的阈值电压从-35.2 V增大到-19.2 V,,迁移率从55.9 cm~2/Vs减小到30.8 cm~2/Vs。其次,我们使用磁控溅射在室温条件下制备了高迁移率双层InGaZnO/In_2O_3薄膜晶体管。首先,我们研究了不同厚度组合和薄膜沉积顺序对双层器件性能的影响,结果得到InGaZnO(5 nm)/In_2O_3(20 nm)TFTs具有最好的电学性能,迁移率达到64.4 cm~2/Vs,亚阈值摆幅为204 mV/dec,开关比为2.5×10~7和回滞电压为1.8 V。并且在我们使用high-k栅极绝缘层(HfO_2和Si_3N_4)后,薄膜晶体管具有更高的迁移率,分别为67.5 cm~2/Vs和79.1 cm~2/Vs,且器件的亚阈值摆幅值得到了进一步的改善,分别为85 mV/dec和92mV/dec。然后,我们研究了不同衬底温度下生长的InGaZnO和In_2O_3单层器件的电学特性,两种器件完全不同的电学性能变化趋势说明了两种材料起主导作用的缺陷类型是不同的。我们基于此提出了InGaZnO和In_2O_3薄膜间的缺陷自补偿效应。为了验证这个机制,我们首先通过SILVACO/Atlas系统得到了与实验测量一致的仿真结果,并根据第一性原理计算对器件进行了模拟仿真,观察到In-O键的形成;接着我们使用X射线光电子能谱分析了InGaZnO(5 nm),InGaZnO(5 nm)/In_2O_3(2 nm)和InGaZnO(5 nm)/In_2O_3(5 nm)三种薄膜的O 1s能谱,随着In_2O_3薄膜厚度从2 nm增加5 nm,氧空位的不断减少以及M-O键的不断增加意味着缺陷自补偿效应的存在;最后,低频噪声能谱分析也进一步地验证了平均缺陷密度的减小。最后,我们制备了ZnO/In_2O_3、Al_2O_3/In_2O_3和Ga_2O_3/In_2O_3 TFTs,研究了它们的电学性能。ZnO/In_2O_3、Al_2O_3/In_2O_3和Ga_2O_3/In_2O_3 TFTs的迁移率均得到不同程度的提升,分别为46.2 cm~2/Vs、55.4 cm~2/Vs和47.5 cm~2/Vs;阈值电压分别为-2.3 V、-6.8 V和0.2 V。ZnO/In_2O_3 TFTs中由于In_2O_3高于ZnO的费米能级而导致ZnO薄膜中的电子往In_2O_3层迁移,从而导致ZnO薄膜中靠近ZnO/In_2O_3接触界面处的电子耗尽以及内建电场的形成,降低了In_2O_3的电阻率,增加了迁移率同时导致阈值电压的偏移;Al_2O_3和In_2O_3接触时形成2D电子沟道,In_2O_3中的O脱离到Al_2O_3引起簇式自掺杂,导致In_2O_3发生半金属化,从而增大了开态电流并使得阈值电压负偏。Ga_2O_3和In_2O_3接触时,由于In_2O_3相比于Ga_2O_3的能级补偿(~0.27 eV)很低,导致In_2O_3层向Ga_2O_3发生载流子注入,从而增加了器件的电导率,增强了性能。
【图文】：

时序图,重大事件,发展史,晶体管

和 Brattain 发明了一种点触式的晶体管器件[8]。1949 年，贝尔实验室的 Shockley 又发明了另一种特殊的结构：双极型晶体管[9]。随后，经历了数十年的发展，Weimer 才于 1962年在 RCA 实验室成功获得第一个 TFT[10]。Weimer 使用真空蒸发技术沉积金的电极，多晶化合物硫化镉（CdS）n 型半导体有源层，以及热氧化形成的二氧化硅（SiO2）栅极绝缘层制备 TFT，并通过金属掩模版进行图形化。1964 年，Klasens 和 Kolemans 提出了由玻璃上蒸发的氧化锡（SnO2）半导体，铝（Al）金属源漏电极和阳极化处理过的氧化铝（Al2O3）栅极介质层组成的 TFTs[11]。1968 年，Boesen 和 Jacobs 发表了一篇关于锂掺杂氧化锌（ZnO:Li）单晶半导体的 TFTs，使用热蒸发沉积 SiOx和 Al 作为介质层和电极，制备的器件栅极调控能力很差并且漏极电流没有达到饱和[12]。1970 年，Aoki 和Sasakura 获得了电学性能很差的 SnO2-TFTs[13]。此后，直到 1996 年，才出现 AOS 重新应用于沟道层的报道，Prins 等人使用铁电场效应材料 SnO2:Sb 制备了 TFTs[14]，并给出了器件回滞与铁电特性之间的关系，Seager 等人制备了 In2O3-TFTs[15]。

基本结构,顶接

图 1-3 TFT 基本结构（a）底栅极，顶接触（b）底栅极，底接触（c）顶栅极，顶接触（d）顶栅极，底接触薄膜晶体管的工作原理膜晶体管具有典型的开关特性和放大特性，我们通过测量 TFTs 的转移特VGS）和输出特性曲线（IDS-VDS）来分析其具体的电学性能，衡量器件的优特性时，我们在源漏电极间施加固定的电压 VDS，测量随 VGS增加时的源；测量输出特性时，我们维持 VGS为一个特定值，测量随 VDS增加时的源，然后改变 VGS的值测出一系列的输出曲线。TFT 器件为栅压控制器件，变栅压调控有源沟道中的多数载流子分布，达到控制源漏电流的目的。根
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN321.5

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