a-IGZO薄膜晶体管的制备及温度特性研究

发布时间：2020-05-27 20:28

【摘要】：为了满足对于航空航天、工业燃油涡轮机、石油与天然气等工业领域的探索,满足在高温环境下传感器测试以及读取系统的稳定工作,制造出能够满足在极端环境下稳定工作的电子器件是目前亟待攻克的难关。常规的电力系统无法在高温下工作,因为半导体硅的PN结在150℃以上会失效。碳化硅是被报道的可替换的耐高温半导体材料,碳化硅器件的工作温度可以达到较高的温度,但碳化硅器件在与其他耐高温衬底如陶瓷衬底集成制备方面国内外尚无报道。本文根据前述应用需求,提出了一种以蓝宝石Al_2O_3为衬底的薄膜晶体管(TFT)器件,氧化物半导体材料选择a-IGZO,在293-523K的温度下进行了测试,并制造了基于TFT的数字逻辑门电路进行波形验证。为后续非硅基高温半导体器件的研究及与传感器的集成开发开辟了思路。本文的主要研究内容如下:1.本文首先介绍了a-IGZO氧化物半导体的微观结构和导电机理,以及薄膜晶体管的结构和工作原理,提出了底栅顶接触结构的薄膜晶体管结构,用于在高温环境下进行测试。2.制备过程中在蓝宝石Al_2O_3衬底上制造了底栅顶接触结构的TFT,并在293-523K温度范围内进行测试,通过测试结果的输出特性、转移特性曲线分析并提取参数,得到器件的特征参数与温度的关系,并进行理论分析,为后续数字逻辑门电路的高温验证提供了基础。3.NAND和NOR门等电路是现代数字集成电路中的一些基本构建模块。通过制造多个薄膜晶体管组成的反相器、NAND和NOR门电路并在不同频率,不同温度以及不同输入波形的情况下进行验证,得出以上电路在高温环境下基于相应的输入逻辑均返回正确的逻辑输出信号,使得我们能够通过混合电路设计进一步探索更复杂的数字电路。
【图文】：

除了航空航天领域外，石油与天然气的勘测、开采是另一个对电力系统的提出的行业。在这些钻井的设备中，需要对地底的环境进行检测，因此其探测设备设备等同样需要很高的可靠性。但这些设备通常在很深的地底，需要承受很高压力，普通的探测设备无法实现测试要求，因此对于高温下的电子器件的研究需求，图 1.1 为电子器件在高温下的应用。常规的电力系统之所以无法在高温下工作，是由于芯片中的半导体硅的 PN℃以上时会失效[10]。为了解决这一问题，研究者们在积极寻找可代替的半导体硅器件的工作温度可以达到较高温度，但若周边驱动电路无法在高温下工作，一样无法实现这些环境的测试需求[11]-[15]，因此碳化硅的逐渐普及对高温半导需求也随之大大增加，，因此本文所要设计的耐高温的薄膜晶体管具有很重要的中设计的薄膜场效应晶体管基于陶瓷基底，由于其稳定的物理化学性质以及耐能被广泛应用于耐高温器件中[16]。

(d) (e)图 1.2 (a) Mika l Cassé 设计的原理图结构；(b) 纳米线的 TEM 图(a) (b) (c)图 1.3 Rajesh Saha 等人的结构及研究结果了利用 SOI 结构来提高硅基半导体材料的工作温度外，研究发现有些半导体材服硅的缺点，使得该半导体器件的工作温度在 150 摄氏度以上，这类半导体材下依然具有良好的机械性能以及导热性能，载流子浓度较低，很适合作为高温件的材料，碳化硅(Silicon Carbide)正是其中的一种。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN321.5

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