铟钨氧基低压双电层薄膜晶体管研究

发布时间：2020-11-06 07:19

　　 薄膜晶体管作为集成电路的基本元器件之一,广泛应用于平板显示、智能传感器、反相器等领域。其中的非晶薄膜晶体管,特别是非晶铟镓锌氧(IGZO)TFTs,以低工作电压、高电流开关比、大面积制备一致性好、制备温度低且工艺廉价等优点备受关注。但是IGZO含有酸溶性的Ga_2O_3和ZnO,在湿法刻蚀中容易受到影响,导致器件稳定性较差。因此需要研究不含Ga和Zn的非晶半导体材料。而铟钨氧氧化物(IWO)不溶于一般的酸性溶剂,且已经用于太阳能电池、有机发光器件及氧化物TFTs中。此外,随着便携式电子设备的快速发展,普遍要求TFTs器件及相关的电路结构简单且工作电压及功耗较低。因此部分研究者提出了双电层晶体管(EDLTs),其栅介质为可在外电场下形成双电层的电解质材料。EDLTs的优点是工作电压较低、迁移率高等。目前关于双电层晶体管的研究集中于材料、器件结构及器件性能,关于其在电路中的应用较少。本文主要研究以非晶IWO为沟道材料的双电层薄膜晶体管,探究其在简单施密特触发器电路中的潜在应用,主要的内容及结果包含:1.利用PECVD、RF-MS等真空技术,制备基于纳米二氧化硅固态电解质的IWO双电层薄膜晶体管和基于壳聚糖栅介质的柔性IWO双电层薄膜晶体管。2.基于纳米二氧化硅固态电解质的IWO双电层薄膜晶体管具有底栅结构及双侧栅结构。底栅IWO器件性能良好,工作电压低于2V,阈值电压约为0.17V,电流开关比、场效应迁移率、亚阈值摆幅分别为3.6*10~7,5.9 cm~2V~(-1)s~(-1),107 mV/decade。基于底栅IWO-TFTs的施密特触发器可在低电压下工作且功耗较低。同时展示了简单施密特触发器对三角波信号的暂态响应曲线。基于双侧栅IWO-TFTs的施密特触发器,是双电层器件首次实现回滞可调控的施密特触发器。3.基于壳聚糖栅介质的柔性IWO-TFTs性能良好,阈值电压为0.30V。该柔性IWO-TFTs器件的开关比、场效应迁移率、亚阈值摆幅分别为1.92*10~7,3.1 cm~2V~(-1)s~(-1),75.2mV/decade。基于柔性IWO-TFTs的施密特触发器同样可在低电压下工作且功耗较低。综上,两种IWO双电层晶体管均性能良好,且能构建简单施密特触发器电路。本文为双电层晶体管的应用提供了新的思路,基于此类器件的简单施密特触发器电路有潜力应用于噪声过滤、智能传感器及神经形态计算领域。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN321.5
【部分图文】：

都是依靠场效应原理调控沟道层，但是氧化物ＴＦＴｓ是通过电子累积形成沟道层，??而ｎ型ＦＥＴ是通过ｐ型衬底上形成的ｎ型沟道达到反型层。??图１－１为ｎ型ＴＦＴｓ的工作原理图，此图中源极接地，漏极和栅极均加正偏??压。如图ｌ－ｌ（ａ），当栅极电压特别小时（ＶＧＳ？ＶＴＨ），栅介质／半导体层界面没有??电子积累，因此源、漏极之间没有电流，器件处于未开启状态。??逐渐增大栅极电压，当其增至阈值电压时（Ｖ〇ｓ＝ＶＴＨ），我们可以将ＴＦＴｓ看成??以栅介质为介质的平行板电容器。自由电子在电场的作用下移动，电子积累层在??栅介质／半导体层界面产生。源漏极之间的横向电场使注入电子积累层的源极电??３??

为了评估ＴＦＴｓ器件的电学性能，场效应迀移率（（ｉＦＥ）、电流开关比（Ｉ０Ｎ／０ＦＦ）、??阈值电压（ＶＴＨ）、亚阈值摆幅（ＳＳ）等是常用的特征参数。这些参数均能由ＴＦＴ的转??移特性曲线及输出特性曲线计算得出，图１－２是典型的转移特性曲线和输出特性??曲线［１］。??场效应迁移率〇ｉＦＥ）??目前，最常用来确定载流子迁移率的方法是霍尔效应，得到的是霍尔迁移率。??一般来说，器件的载流子迁移率受到材料本身散射机制的影响。但是ＴＦＴ中的载??流子迁移率不同于其在半导体中的固有迁移率，因为它受散射机制的影响远小于??栅压的调控作用。按照Ｓｃｈｒｏｄｅｒ的观点，ＴＦＴｓ中的载流子迁移率计算方式可以分??为有效迁移率、饱和迁移率、场效应迁移率，每种计算方式都有优缺点。最常用??的是场效应迁移率（也称为线性迁移率）。在单位电场下，载流子的平均漂移速??度定义为场效应迁移率。一般通过公式１－１计算确定场效应迁移率：??ＭｆＥ?＝?／＾ｌｉｎ?＝?—?１－１??Ｗ－Ｃ０Ｘ－ＶＤＳ?ｄＶＧＳ??公式１－１中，Ｌ和Ｗ分别表示沟道的长度和宽度，ＶＤＳ为源漏电压。ＶＣＳ为??栅极电压

ＴＦＴｓ主要由栅极层，栅介质层，半导体层，源、漏电极在衬底上堆叠组成，??衬底一般分为玻璃和柔性衬底。对于氧化物ＴＦＴｓ而言，其半导体层一般为氧化??物。图１－３为ＴＦＴｓ的典型结构示意图［２３１，其中图（ａ）和图（ｂ）为底栅（Ｂｏｔｔｏｍ?Ｇａｔｅ，??ＢＧ）器件的结构图，其余为顶栅（Ｔｏｐ?Ｇａｔｅ，?ＴＧ）器件的结构图。每一种结构都有优??缺点，顶栅器件一般用于需要外延生长半导体层，难以制备底电极的情况。同时??７??
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本文编号：2872831