InSnZnO薄膜晶体管材料改性与性能的研究

发布时间：2020-04-02 05:44

【摘要】：金属氧化物半导体被认为是最有希望取代硅基材料而作为薄膜晶体管(TFT)的沟道材料。金属氧化物薄膜晶体管(MO-TFT)主要具有以下优点:1)载流子迁移率高;2)器件性能均匀,适合大面积生产;3)制备温度低,适合柔性显示;4)禁带宽且可见光下透明,适合透明显示。目前它完全满足大尺寸,超高分辨率显示器的要求,被认为是下一代新显示技术中最有前途的新技术之一。然而,随着新显示技术向超高清、超高分辨率和柔性显示器发展,它们对金属氧化物TFT提出了更高的技术要求:更高的载流子迁移率、更好的可靠性、更低的工艺温度等。针对以上需求,论文围绕研制高电学特性、高稳定性、可柔性化的金属氧化物薄膜晶体管为目标,针对铟锡锌氧化物(InSnZnO)薄膜晶体管材料改性与性能关系展开了研究工作,其主要研究内容和成果如下:针对传统铟镓锌氧化物(InGaZnO)材料迁移率较低(~10cm~2/Vs)的问题,利用共溅射的方法成功制备出高载流子迁移率InSnZnO(ITZO)四元材料,并以该材料作为有源层制备了高迁移率的InSnZnO-TFT,同时研究了退火工艺对InSnZnO薄膜界面及其TFT器件性能的影响。研究结果表明,控制ITZO薄膜中的固有缺陷对于改善ITZO TFT的电学性能非常重要。由于Sn原子能有效抑制ITZO薄膜中氧空位缺陷的形成,而不同退火温度能有效调节器件中氧空位缺陷的含量和载流子的浓度。因此,通过对退火温度等条件的优化,成功制备了具有高饱和载流子迁移率(μ_(sat)~27.4cm~2V~(-1)s~(-1))、高环境稳定性的ITZO TFT。针对金属氧化物TFT稳定性差的问题,利用气相自组装单分子层(SAMs)作为背沟道修饰层的方法,研究了不同链长的有机自组装单分子层作为背沟道修饰层对InSnZnO TFT器件性能及其环境稳定性的影响。研究发现,长烷基链的SAMs可以提供有序且高度疏水的单层,并获得ITZO TFT的最佳性能,场效应迁移率(μ_(FE))高达22.9 cm~2V~(-1)s~(-1),阈值电压(V_(th))低至-0.1V,亚阈值摆幅(SS)低至0.076V/dec,开关电流比(I_(on)/I_(off))高达4.3×10~8。此外,器件在持续一小时的偏压(V_(gs)=10V)下,阈值电压仅漂移0.4V,在不同湿度条件下器件性能基本不变。同时,本文还利用无机钝化材料致密性好,能有效地抑制氧原子从氧化物半导体薄膜中逸出而形成氧空位(V_O)的优点,结合有机硅烷能够通过自组装的方法,在氧化物表面形成一个超疏水界面,从而能够有效阻止水分子的吸附与透过的优点,制备了基于SAMs/Al_2O_3双层钝化的ITZO TFT,系统地研究了SAMs/Al_2O_3双层钝化分别对于器件性能及其稳定性的影响并与Al_2O_3单独钝化进行了比较。相比Al_2O_3钝化的ITZO TFT,SAMs/Al_2O_3双层钝化的ITZO TFT表现出更加优越的性能,其场效应迁移率(μ_(FE))高达19.8cm~2V~(-1)s~(-1),开关电流比(I_(on)/I_(off))高达8.7×10~9,阈值电压(V_(th))低至0.9V,亚阈值摆幅(SS)低至0.04 V/dec。结果表明由于SAMs/Al_2O_3双层钝化中SAMs对Al_2O_3钝化层的修饰,在消除了Al_2O_3钝化层表面羟基及表面缺陷的同时形成了一个超疏水界面,更有效地增强了钝化层对空气中水氧的阻隔能力。针对栅介质层界面对于器件的性能影响较大的问题,论文研究了栅介质层修饰对MO-TFT性能的影响。通过在栅介质层和有源层之间引入自组装单分子层作为栅介质层的修饰层,以改善栅介质层和有源层的界面特性,降低表面粗糙度和表面能。同时还研究了自组装分子所含烷基链长短对器件修饰效果的影响并探索了相关机理。研究发现相比长烷基链的SAMs,短烷基链的SAMs对于栅介质层界面的修饰更有利于器件性能的提高。针对金属氧化物TFT应用于柔性平板显示技术的问题,本文在聚酰亚胺(PI)基板上制备了弯曲曲率半径可达10mm的柔性金属氧化物TFT。为了解决金属氧化物TFT稳定性差的问题,采用正辛基三乙氧基硅烷(OTES)自组装层修饰柔性ITZO-TFT的背沟道表面,通过化学反应,消除了ITZO薄膜表面的羟基基团,同时形成长程有序的高疏水分子层,降低了表面能和表面极性,从根源上解决了ITZO-TFT稳定性差的问题。钝化层极大地改善了柔性ITZO TFT的正偏压应力(PBS)和负偏压应力(NBS)稳定性,其阈值电压在PBS/NBS的应力条件下1小时仅有0.8/1.3V的偏移。同时所制备的柔性ITZO-TFT器件展示了良好的柔韧性,在一定的曲率半径下,器件也可以保持良好的电学性能。
【图文】：

图 1-1 MOSFETs 和 TFTs 典型的结构比较Fig.1-1 Typical structure comparison of MOSFETs and TFTs1.3 薄膜晶体管的应用领域TFT 在集成电路制造中具有与硅场效应晶体管(FET)相同的集成度，但这两种技术由于受到不同应用的驱动而出现分歧。随着其特征尺寸的减小，硅 IC 成本和性能都会提高，摩尔定律表明，集成电路上单位面积可容纳的元器件的数目，约每隔 18-24 个月便会增加一倍。相比之下，大尺寸的衬底而不是器件密度是 TFT 的发展动力所在。由于不同的制造方法，TFT 的单位面积成本远低于硅 IC，但每个 FET 的成本要高得多。因此，TFT 不能与硅 IC 竞争处理能力，而硅 IC 不可能以平方米尺寸阵列制造。MOSFET主要应用在集成电路技术领域，而 TFT 则主要在平板显示领域中大显身手。有源矩阵驱动是平板显示技术的关键技术之一，，而 TFT 则是有源矩阵驱动技术中的核心电子器件。目前在平板显示技术中，最具代表性、应用最为广泛的当属主动矩阵液晶显示(AMLCD)

个 TFT 控制。其等效电路图如图 1-2 所示。图 1-2AMLCD 亚像素等效电路Fig.1-2 Sub-pixel equivalent circuit of AMLCD存储电容；CLC为液晶电容。因为 TFT 和液晶电容在画面保持的s的作用是使得当前显示的画面能够保持到下一个信号进来前。D 显示阵列则可以等效为图 1-3 中所示的阵列。在显示过程中每一行依次打开。打开每一行时，通过信号线在对应的亚像素中电压信号。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN321.5

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本文编号：2611543