用于薄膜晶体管的叠层介质层和有源层溶液加工方法的研究

发布时间：2020-05-24 03:00

【摘要】：溶液法制备工艺因其低成本和操作简单等特点,近年来被广泛应用于金属氧化物薄膜晶体管(Metal Oxide Thin Film Transistor,MOTFT)的制备。本文以旋涂法制备的介质层和有源层为研究对象,通过采用叠层结构的方式来解决传统金属氧化物介质层和有源层所面临的问题,进而实现高性能的叠层介质层和有源层。本文首先探究了叠层金属氧化物介质层的制备工艺。通过采用控制变量法,探索出了薄膜各项参数随退火温度和溶液浓度的变化规律,实现了旋涂法制备的性能可调的Al_2O_3/ZrO_2叠层介质层。研究发现,当Al_2O_3的含量超过50%时,叠层介质层的各项性能趋于相对稳定的状态,不会随各组分含量的变化产生较大的波动;当Al_2O_3含量低于50%时,随着ZrO_2的含量从50%变化至100%,叠层介质层的光学禁带宽度、介电强度、电容密度以及介电常数的变化量分别达到了0.482 eV、2.12 MV cm~(-1)、135.35 nF cm~(-2)、11.64,介质层的性能具有很大的调控空间。与此同时,还发现增加叠层数量可以有效阻断薄膜中的晶界,进而提高介质层的介电强度。基于上述叠层介质层的制备方法,接下来进行了叠层有源层的研究。鉴于溶液法与真空法的区别,本文提出了一种In_2O_3/In_xM_yO_z结构的叠层有源层。通过对不同绝缘材料的尝试,最终探索出了性能较为理想的In_2O_3/In_xAl_yO_z-TFT。经过优化,其阈值电压为2.69 V,开关电流比为6.54×10~7,亚阈值摆幅为0.4V dec~(-1),载流子迁移率为1.37 cm~2V~(-1) s~(-1)。同时,其相对于In_2O_3-TFT具有更好的正偏压稳定性,其在PBS测试中阈值电压的正漂移量仅为2 V,相对于In_2O_3-TFT的20 V具有明显的改善,但负偏压稳定性的改善并不明显。之后尝试通过构建In_2O_3/In_xAl_yO_z/Al_2O_3结构的有源层,通过背沟道Al_2O_3进一步抑制In_2O_3中类施主杂质产生的电子,但结果不是很理想,还需在后续实验中不断完善。
【图文】：

第一章 绪论在制备工艺方面，溶液法因其成本低，操作简单而得到了广泛的研究。如图 1-1 b)所示，旋涂法的报道数量呈逐年增长的趋势（旋涂法制备介质层），其主要原理是利用转子的高速旋转，甩出滴在转子上多余的溶液，进而形成均匀的薄膜[28]。薄膜的厚度取决于前驱体的粘度、溶液的浓度以及转子的转速。喷雾热结法与旋涂法类似，其通过喷头将前驱体喷涂在预热的衬底上，各组分之间经化学反应后成膜[29]，该技术的独特之处在于可以制备非平面的结构，如台阶、沟槽和叠层。同样，印刷工艺也被用于氧化物薄膜的制备。不同的打印技术对墨水参数的要求不同，且不同打印机和墨水制备的薄膜在分辨率和厚度上也具有一定的差异。目前，业内公认地与印刷法相关地重要参数包括分辨率、精度、均匀性、产率、墨水与打印器件的兼容性以及衬底的亲水性等[30]。

和工作原理都和场效应管（MOSFET）类似，其中栅极结构。通过在栅极上施加电压 VGS，在栅极电介质中产源层界面之间产生一载流子层，称为沟道层。通过改变道的厚度，进而达到控制源漏电流的目的。例如，，对 N），栅极金属层在 VGS作用下将聚集正电荷，而半导体层动的带负电的空间电荷区；随着 VGS的增大，该空间电体中的自由电子将被电场吸附到该空间电荷区与介质层 N 型薄层称为反型层，反型层的出现形成了源-漏电极的栅-源电压称为阈值电压 Vth）；当 VGS>Vth且保持不变就会产生沟道电流 IDS；随着 VDS的增大，导电沟道沿超过 VGS时，导电沟道就会夹断。此时，IDS几乎不随。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN321.5

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本文编号：2678352