超薄非晶氧化物半导体及其薄膜晶体管研究

发布时间：2020-05-05 18:14

【摘要】：近年来,基于非晶氧化物半导体(AOS)的薄膜晶体管(TFT)被越来越广泛地应用于各种高端平板显示器(FPD),如有源矩阵有机发光二极管显示器(AMOLED),有源矩阵液晶显示器(AMLCD)等。这是由于非晶氧化物半导体有很多优异的性能,如制备温度低,迁移率高,均匀性好以及可见光透明等。目前,高科技终端产品的更新换代很快,这就对平板显示器和非晶氧化物薄膜晶体管提出了更高的要求。非晶氧化物薄膜晶体管必须具有更小的体积,更高的迁移率以及更好的稳定性等。基于这点考虑,本文使用几纳米厚的超薄非晶氧化物薄膜作为沟道层,制备了超薄薄膜晶体管(UTFT),系统研究了薄膜厚度,薄膜组成以及退火温度对超薄非晶氧化物薄膜及其UTFT性能的影响。本文的主要研究内容及结果如下:1.采用脉冲激光沉积(PLD)法制备了不同厚度的非晶ZnGe0.05SnO(a-ZnGe0.05SnO)薄膜,研究了膜厚对非晶氧化物薄膜及其TFT性能的影响。随着薄膜厚度的降低,氧含量升高,可见光透过率升高,场效应迁移率大致呈现先升高后降低的趋势,阈值电压总体先降低后升高。然而在薄膜厚度约为4.3 nm时,薄膜及其TFT器件出现了一系列相关的异常现象。我们提出了界面相互作用模型用以解释该异常现象,该模型可以为制备超薄非晶氧化物薄膜及其UTFT提供良好的指导。只有当薄膜厚度小于4.3 nm时(如3.1 nm),才能获得高质量的超薄非晶氧化物薄膜,以及高场效应迁移率的增强型薄膜晶体管。2.采用PLD法制备了不同Ge含量的超薄a-ZnGexSnO薄膜(x=0时为a-ZnSnO),Ge作为氧空位(Vo)抑制剂,研究了Ge含量对超薄a-ZnGexSnO薄膜及其UTFT性能的影响。随着Ge含量的升高,氧空位含量先升高后降低,导致阈值电压先降低后升高,而场效应迁移率则大大降低。这是由于当薄膜厚度只有约3.2nm时,氧很容易通过退火扩散进薄膜,使得超薄a-ZnSnO薄膜的氧空位含量很低,导致加入Ge的作用有限,并且会降低场效应迁移率等性能。在所有的UTFT中,a-ZnSnO UTFT的性能和稳定性最为优异,这表明,在超薄非晶氧化物薄膜晶体管中氧空位抑制剂是非必要的。3.采用PLD法制备了超薄aa-ZnSnO薄膜及其UTFT,研究了退火温度对薄膜及UTFT性能的影响。超薄aa-ZnSnO薄膜的比表面积很大,随着退火温度的升高,薄膜粗糙度降低,表面形貌发生改变,薄膜的电阻率降低,这都会影响UTFT的性能。其中200 ℃退火的UTFT由于较高的电阻率而没有表现出晶体管性能,而退火温度为250至450 ℃的其他UTFT表现出良好的开关特性,并且为具有较高场效应迁移率的增强型器件。改变退火温度可以获得不同性能和稳定性的UTFT器件。其中,350 ℃退火的a-ZTO UTFT性能最好,稳定性略差,450 ℃退火的a-ZTO UTFT稳定性最好,性能略差。4.采用PLD法制备了超薄a-InZnO和a-ZnSnO薄膜及其UTFT器件,对比研究了两种超薄薄膜及其UTFT的性能差异。两种超薄薄膜都具有很高的可见光透过率(95%),两种器件都是高场效应迁移率的增强型UTFT。我们使用了一种新方法去对比不同体系非晶氧化物材料中的氧空位含量,其结果可以很好地解释超薄a-InZnO和a-ZnSnO薄膜及其UTFT器件性能的差异。相比超薄a-ZnSnO薄膜,超薄a-InZnO薄膜具有较低的氧空位含量,较低的载流子浓度,且In3+的4d105s0轨道半径大于Sn4+,从而使得a-InZnO UTFT的性能更好。
【图文】：

机发光二极管显示器（ａｃｔｉｖｅ邋ｍａｔｒｉｘ邋ｏｒｇａｎｉｃ邋ｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ邋ｄｉｏｄｅ，ＡＭＯＬＥＤ）邋［２－４］0逡逑其中，薄膜晶体管（Ｔｈｉｎ－ｆｉｌｍｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ，邋ＴＦＴｓ）作为显示器件的开关元件，与存逡逑储电容器件共同组成驱动电路，进而可以实现高清晰度、全色彩的显示。图１．１逡逑是柔性透明ａ－ＩｎＧａＺｎ0ＴＦＴＩ５］及基于ＴＦＴ的平板显示器示意图。逡逑ＭW壚逡逑Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ邋ｆｌｅｘｉｂｌｅ逦ＡＭＬＣＤ逦ＡＭＯＬＥＤ逡逑ａ－ＩｎＧａＺｎＯＴＦＴ逡逑ｗｍ邋ｋ邋／逡逑ｉＰａｄ邋ｕｓｉｎｇ邋ａ－逦Ｓｍａｒｔ邋ｐｈｏｎｅ邋ｕｓｉｎｇ逦Ｆｌｅｘｉｈｌｅｄｉｓｎｌａｖ逡逑ＩｎＧａＺｎＯＴＦＴｓ逦ａ－ＩｎＧａＺｎＯＴＦＴｓ逦Ｈｅｘｉｂｌｅ邋ｄｉｓｐｌａｙ逡逑图１．１柔性透明ａ－ＩｎＧａＺｎＯＴＦＴ邋（ａ）邋［５］及基于ＴＦＴ的平板显示器（ｂ－ｆ）逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ邋ｆｌｅｘｉｂｌｅ邋ａ－ＩｎＧａＺｎＯ邋ＴＦＴｓ［５］邋（ａ）邋ａｎｄ邋ＦＰＤｓ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋ＴＦＴｓ邋（ｂ－ｆ）逡逑在显示器中，ＴＦＴ本身的性能对显示器整体的性能至关重要，ＴＦＴ技术是平逡逑板显示技术的核心科技之一，是显示领域研发的重点。目前，商业化的ＴＦＴ主逡逑要分为一下几大类［６］：—是氢化非晶硅（ｆｌ－Ｓｉ：Ｈ）ＴＦＴ；二是低温多晶硅（ＬＴＰＳ）逡逑ＴＦＴ；三是金属氧化物ＴＦＴ，主要是非晶氧化物（ＡＯＳ）邋ＴＦＴ。其中，ａ－Ｓｉ：ＨＴＦＴ逡逑技术是目前应用最为广泛的技术。其主要的优点是技术成熟

制备温度较低，容易大面积成膜，比较适合制备大面积和柔性的器件。早在上世逡逑纪五十年代，人们就发现了硫系非晶半导体，由此开启了非晶态半导体的研究［４Ｇ，逡逑４１＼图２．１简单概括了非晶态半导体的发展历程［３９］。随后的几十年里，各种非晶逡逑态半导体被发现，其中具有里程碑意义的是氢化非晶硅（ｆｌ－Ｓｉ：Ｈ）的发现，这被逡逑称为开启了一个新的前沿学科：巨微电子学［４２１。这是第一种可以通过掺杂同时控逡逑制导电类型和掺杂浓度的非晶半导体，并且由于非晶的均匀性，其可以在基板上逡逑大面积制备。随后，Ｌｅｃｏｍｂｅｒ等人［４３］在玻璃上制备了首个ａ－Ｓｉ：ＨＴＦＴ，虽然其逡逑徖移率只有约0．５ｃｍ２Ｖ－ｉｓ－ｉ，但已经可以驱动液晶显示器（ＬＣＤ）邋了。此后，心逡逑７逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN321.5;TN304

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4 胡诗r，

本文编号：2650557