锂氮掺杂ZnSnO薄膜晶体管的制备与性能研究

发布时间：2020-06-03 10:13

【摘要】：薄膜晶体管(TFT)是当今平板显示领域中不可或缺的电子元器件之一。随着显示技术向着大尺寸、超高分辨率、3D显示等方向不断发展,传统的a-Si TFT因其迁移率低而p-Si TFT因其大面积制备均匀差等缺点而难以满足其发展需求。氧化物薄膜晶体管因其具有较高的迁移率、良好的透明性、大面积制备均匀性好等优点而被人们寄予了厚望。在氧化物薄膜晶体管中,以InZnO、InGaZnO、HfInZnO为代表的含In的InZnO基薄膜晶体管最受人关注并被广泛地研究,这是因为相对于其它不含In的氧化物薄膜晶体管来说,In的加入常常使他们具有更高的迁移率,然而In、Ga属于稀有金属,其资源有限、价格昂贵。鉴于此,人们为了获得高迁移率的薄膜晶体管的同时降低原料成本以满足显示技术发展的需求而正在进行积极地研究探索,本论文开展了如下的研究工作:(1)用Sn替代In,利用磁控溅射成功地制备了底栅交叠结构的无In的ZnSnO TFT,研究了活性层厚度、退火温度、氧气流量以及氩气流量对ZnSnO TFT性能的影响。实验结果表明,当活性层厚度为46nm、退火温度为600℃、氧气流量为3sccm、氩气流量为30sccm时,ZnSnO TFT具有最佳的器件性能,其迁移率为36.4 cm2v-1s-1、开关比为9.7×107、阈值电压为3.2V。(2)利用磁控溅射成功地制备了N掺杂的ZnSnO TFT,研究了活性层厚度、退火温度、氧气流量以及溅射功率对N掺杂的ZnSnO TFT性能的影响,并探究了该器件放置于空气中的稳定性。实验结果表明,当活性层厚度为59nm、退火温度为635℃、氧气流量为0sccm、溅射功率为100W时,N掺杂的ZnSnO TFT具有最佳的器件性能,其迁移率为42.8 cm2v-1s-1、开关比为1.9×109、阈值电压为2.8V。将该器件放置空气中90天后,仍保持着较好的性能,其迁移率为36.1 cm2v-1s-1,开关比为1.9×106,阈值电压为-1.0V。(3)将Li和N同时引入到ZnSnO体系中,利用磁控溅射成功地制备了Li、N共掺杂的ZnSnO TFT,研究了活性层厚度、退火温度以及氧气流量对Li、N共掺杂的ZnSnO TFT性能的影响,并探究了该器件放置于空气中的稳定性。实验结果表明,氧气流量为Osccm下制备的54nm厚的活性层经过675℃退火后,Li、N共掺杂的ZnSnO TFT展现了最佳的器件性能,其迁移率为26.8 cm2v-1s-1、开关比为4.5×107、阈值电压为6.0V;将该器件放置在空气中90天后,器件的性能轻微下降,其迁移率为24.5 cm2v-1s-1,开关比为9.3×105,阈值电压为3.0V。
【图文】：

示意图,金属氧化物半导体,传输路径,金属氧化物

逡逑对称的ｎｓ轨道将形成较大的直接重叠区（如图１－１），这为电子的传输提供了良好的逡逑导电路径，同时重叠区的大小几乎不受金属－氧－金属化学键的歪曲程度的影响，使逡逑得非晶态的金属氧化物薄膜仍然具有与结晶态的金属氧化物薄膜相似的电子迁移逡逑率［？。Ｎｏｍｕｒａ等人的这一研究成果引发了人们大量关注，为氧化物薄膜晶体管从逡逑一元金属氧化物向着多元金属氧化物、从结晶态金属氧化物向着非晶态金属氧化逡逑物薄膜晶体管的发展提供了重要的指导。随后，以ＺｎＯ半导体为基础，主要含有逡逑Ｉｎ、Ｇａ、Ｈｆ等稀有金属元素的多元金属氧化物半导体被大量地研究并应用于ＴＦＴ逡逑中。为了改善其中某些多元金属氧化物ＴＦＴ的器件性能，Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｉ？等元素也被逡逑用于其中表１－３展示了一些近些年来与之相关的具有代表性的研究成果。从逡逑表１－３所展示的相关文献资料中可以看出，，Ｉｎ、Ｇａ、Ｈｆ的使用提高了邋ＺｎＯ邋ＴＦＴ的逡逑电学性能。逡逑Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ逦Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ逡逑图１－丨金属氧化物半导体中的电子的传输路径示意图逡逑Ｆ

薄膜晶体管,能带图,沟道,半导体

Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ｅｎｅｒｇｙ邋ｂａｎｄ邋ｄｉａｇｒａｍｓ邋ｏｆ邋ｉｄｅａｌ邋ｎ－ｃｈａｎｎｅｌ邋ＴＦＴ邋（ａ）邋ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ，邋（ｂ）邋ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ，逡逑（ｃ）ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ逡逑图１－２展示了理想情况下的ｎ沟道薄膜晶体管的能带图。当栅极与半导体之没逡逑有施加电压时，即ＶＧＳ＝０，靠近绝缘层的半导体表面处的能带不会发生弯曲（如图逡逑１－２邋（ａ）所示），此时处于热平衡状态下的半导体体内的电子浓度处处相同，有效逡逑电荷面密度为零；当栅极与半导体之间施加负压时，即ＶＧＳ＜０，靠近绝缘层的半导逡逑体表面处的能带向上弯曲（如图１－２邋（ｂ）所示），表面处的电子浓度比体内电子逡逑浓度低，表面处的电子被耗尽，形成了一个很薄的耗尽层；当栅极与半导体之间逡逑施加正压时，即Ｖｃ；ｓ＞０，靠近绝缘层的半导体表面处的能带向下弯曲（如图１－２邋（ｂ）逡逑所示），越靠近表面电子浓度越高，电子在表面处堆积形成了一个很薄的电子积逡逑累层；当栅极与半导体之间施加的正压进一步增大时
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN321.5

【参考文献】