掺氮In-Sn-Zn-O薄膜晶体管的制备与性能研究

发布时间：2020-07-23 04:31

【摘要】：目前,随着市场上曲面屏、大尺寸显示面板的出现,显示技术对薄膜晶体管(TFT)的性能提出了越来越高的要求。因此TFT也朝着多元化的方向发展。多元氧化物TFT由于不同元素之间掺杂表现出特殊的性能,备受研究人员的关注。氧化铟锡锌(ITZO)材料是制备TFT有源层的热门材料之一,以ITZO作为有源层的TFT具有可见光范围内高透过率、高场效应迁移率、高电流开关比、低亚阈值摆幅等特点,如果将其应用到显示技术中将可以实现高清晰度、高对比度、高画质显示面板的制作。但氧化物在实际应用过程中稳定性较差,并且ITZO是近几年才被研发的一种多元氧化物材料,目前国内外对该材料以相关器件的报道不多,其制备工艺和性能需要进一步探索。因此,本文利用射频磁控溅射工艺制备ITZO基的TFT,采用氮钝化氧空位的方式优化TFT的性能,通过调整有源层的制备参数以及改变源漏电极材料,改善TFT的稳定性及微观结构、光学性能和电学性能。(1)分别在0、2、4、6、8和10 mL/min的氮气流量条件下制备了 ITZO薄膜和相应的TFT。结果表明:在不同氮气流量下制备的ITZO薄膜均为非晶结构,其在可见光范围内的平均透过率约90%,光学带隙值为3.28-3.32 eV。适量氮气掺杂可以填补TFT中的氧空位,起到钝化作用,优化TFT的电学性能,提高TFT的稳定性。但如果氮气流量过高,则会引入氮相关的缺陷态,使器件性能劣化。实验证明,最优氮气流量为4 mL/min,该条件下制备的TFT电学性能最优,并在栅极正偏压应力测试中,该TFT表现出最优的稳定性。(2)制备ITZO:N有源层厚度为15、25、35、45和55 nm的TFT,测试发现随着有源层厚度的增大,薄膜由非晶态向结晶态转变,膜层中出现InN(002)微晶。有源层厚度太薄时,薄膜成膜质量欠佳,从而导致TFT中存在较多缺陷态;有源层厚度≥45 nm时,薄膜中的InN晶粒引起的晶界散射会降低TFT的载流子迁移率。在有源层厚度为35 nm时,TFT的电学性能最佳,μFE高达17.53 cm2/(V·s),Ion/off高于 106,SS为0.36 V/dec。(3)分别在50、60、70和80 W的溅射功率下制备了 ITZO:N TFT,测试结果表明:不同溅射功率制备的ITZO:N薄膜均为非晶态,其在可见光范围内平均透过率约90%。综合分析薄膜和TFT的各项性能发现,在溅射功率为60 W时,ITZO:N有源层均匀致密,器件电学性能最佳。溅射功率过高会导致成膜质量变差,缺陷态增多,器件性能下降。(4)在相同制备工艺参数下,分别使用ITO和A1作为TFT的源漏电极,研究了源漏电极材料对ITZO:N TFT电学性能的影响。实验结果表明:Al和ITO薄膜相比,Al薄膜中存在的孔洞和大颗粒,会造成TFT中缺陷态的增大;此外,Al和ITZO:N有源层的界面处容易发生界面反应,形成AlOx高阻层,阻碍载流子迁移,降低TFT的开关比,劣化TFT性能。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN321.5
【图文】：

半导体产业,历程

摄影测量、航空航天等领域，是全球经济增长的支柱产业［Ｍ］。美国、中国、日逡逑本、韩国和德国等国家是全球半导体产业的发源地和主要消费市场，从半导体产逡逑业诞生至今，经历了多次结构调整和两次产业转移，列于图１－１中。随着人们对逡逑日常生活中使用的电脑、手机、数码相机等电子产品的要求日益提高，这类产品逡逑也在不断地更新换代。显示器是电子产品与使用者之间的重要媒介，如今，以有逡逑源矩阵液晶显亦器（Ａｃｔｉｖｅ邋Ｍａｔｒｉｘ邋Ｌｉｑｕｉｄ邋Ｃｒｙｓｔａｌ邋Ｄｉｓｐｌａｙ，邋ＡＭＬＣＤ）和有源矩阵发逡逑光二极管（Ａｃｔｉｖｅ邋Ｍａｔｒｉｘ邋Ｏｒｇａｎｉｃ邋Ｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ－ｄｉｏｄｅ邋Ｄｉｓｐｌａｙ，邋ＡＭＯ邋ＬＥＤ）为代表的逡逑平板显示（Ｆｌａｔ邋Ｐａｎｅｌ邋Ｄｉｓｐｌａｙ，邋ＦＰＤ）因具有清晰度高、色彩逼真、容易实现大面积逡逑制成等特点，己逐渐取代传统的阴极射线管显示器（Ｃａｔｈｏｄｅ－Ｒａｙ邋Ｔｕｂｅ，邋ＣＲＴ）。以逡逑ＡＭＬＣＤ为例，液晶具有作为光阀的优良特性，通电导通时，液晶排列有序，使逡逑光线通过

掺氮In-Sn-Zn-O薄膜晶体管的制备与性能研究

图１－２邋ＡＭＯＬＥＤ产业化朗逡逑

传输路径,载流子,氧化物

ＩＴＺＯ材料具有宽带隙、可见光范围内透过率高、高迁移率和高载流逡逑子浓度等优点。特别的，作为ｎ型半导体，非晶ＩＴＺＯ材料的电子传输主要源于逡逑Ｉｎ３＋和Ｓｉｉ４＋最外层５ｓ轨道共有化运动形成的导带［３４，３５］。如图１－３，区别于结晶氧逡逑化物，非晶ＩＴＺＯ的载流子传输轨道发散性强、对称性高，并且ＩＴＺＯ材料中ｌｎ２０３逡逑和Ｓｎ０２两种成分的电子结构（ｎ－Ｕｄ＇ｓ１１中，ｎ＾；５，所以相邻Ｉｎ３＋和Ｓｎ４＋的ｓ轨道逡逑相互重叠，这样的轨道结构给载流子的传输提供了足够大的空间，有利于电子的逡逑高速传输，使材料在非晶态也保持高迁移率［３５，３６］；同时，Ｚｎ／Ｓｎ共掺到ｌｎ２０３中，逡逑使ＩＴＺＯ非晶薄膜局部结构中存在晶格畸变，形成了氧空位和（Ｓｎｉｎ）’络合物，它逡逑们是载流子产生源，提供了部分载流子，另外Ｓｎ４＋替位Ｉｎ３＋后，也能为ＩＴＺＯ材逡逑料提供载流子，如方程式（１－１）和（１－２）所示。因此ＩＴＺＯ具有较高的载流子浓度＾逡逑３８］。ＩＴＺＯ中的ＺｎＯ成分还起到抑制薄膜结晶的作用

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