低压铟锌氧双电层晶体管研究

发布时间：2017-10-08 20:43

  本文关键词：低压铟锌氧双电层晶体管研究

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【摘要】：氧化物薄膜晶体管(Oxide Thin Film Transistors)具有高迁移率(10cm2/Vs),制备工艺都在常温下进行,适合大规模生产,成本低,应用范围广等优点,在世界上引起了广泛研究兴趣。在众多类型的氧化物半导体中,In-Ga-Zn-O (IGZO)材料作为沟道层材料,具有非常平整的表面结构,非常高的迁移率(10cm2/Vs),衬底兼容性好,无毒无污染而受到许多研究小组的关注。但是,由于IGZO-TFT栅介质在栅电极和有源沟道之间的电容耦合比较弱,导致器件需要很大的栅极电压才能驱动,不节能便携,大大限制了应用的空间。而且,随着柔性电子学的发展,柔性的薄膜晶体管器件受到了越来越多的关注。最后,人们对环境保护的意识越来越高,使用无毒无污染的天然材料生物材料制作薄膜晶体管器件也是一个趋势。本文中,经过我们的探索,成功的在常规的导电玻璃以及新型的柔性纸张衬底上分别制备了天然鸡蛋清和天然蜂蜡膜为栅介质的低压调控的氧化物薄膜晶体管。我们的器件是底栅结构,分四部分组成：衬底材料分别是玻璃以及柔性纸张材料；底栅分别为150 nm厚的导电ITO和银金属薄膜；栅介质材料是天然生物材料鸡蛋清以及蜂蜡,膜厚度约5 μm最上层是IZO制备的厚度为200 nm的有源沟道和源漏电极。其中,银金属膜底栅是用真空热蒸镀工艺蒸镀的,天然生物材料鸡蛋清膜和蜂蜡膜是用旋涂匀胶机旋涂制备,IZO有源沟道和源漏电极是在沟道长宽比为W (1000μm)/L (80μm)=12.5的镍掩膜板遮挡下用一步法磁控溅射生长。我们使用Keithley 2636B半导体参数分析仪测试了器件的性能,以低压纸张衬底蜂蜡膜栅介质薄膜晶体管为例,它是增强型器件,单位面积的栅介质电容达到了5μF/cm2,工作电压低至2 V,器件的阈值电压、载流子迁移率、电流开关比和亚阈值摇摆分别为0.43 V,14.6cm2/Vs,7.6×106和86mV/dec,漏电流仅为2.8nA。经过30天的老化测试以及超过3000次的弯曲测试后阈值电压只漂移了0.1 V,迁移率降低了15%,展示了良好的老化以及机械性能。上述结果表明,我们在室温环境下制备的这种低压天然生物材料柔性纸张衬底薄膜晶体管在下一代高性能低功耗,环境友好,柔性可弯曲的微电子器件领域尤其人体传感器方面具有非常大的应用前景。
【关键词】：薄膜晶体管 Thin Film Transistors 低压 氧化物半导体 InGaZnO_4 室温 射频磁控溅射
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN321.5
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 薄膜晶体管的发展历史11-12
• 1.2 薄膜晶体管的基本理论12-15
• 1.2.1 薄膜晶体管的典型结构12-13
• 1.2.2 薄膜晶体管的工作原理13
• 1.2.3 薄膜晶体管的性能参数分析13-15
• 1.3 薄膜晶体管的分类15
• 1.4 薄膜晶体管的应用15-17
• 1.5 本文的研究背景和研究内容17-18
• 第2章 氧化物薄膜晶体管的制备工艺和测试技术18-27
• 2.1 薄膜晶体管衬底的清洗18-19
• 2.2 薄膜制备技术19-24
• 2.2.1 化学气相沉积技术19-21
• 2.2.2 磁控溅射沉积技术21-23
• 2.2.3 真空热蒸发沉积技术23
• 2.2.4 溶液法制膜技术23-24
• 2.3 TFT器件测试技术24-26
• 2.3.1 半导体参数测试仪24-25
• 2.3.2 阻抗分析仪25-26
• 2.3.3 扫描电子显微镜(SEM)26
• 2.3.4 原子力显微镜(AFM)26
• 2.4 小结26-27
• 第3章 以纳米SiO_2为栅介质的IZO双电层薄膜晶体管27-34
• 3.1 以纳米SiO_2为栅介质的IZO双电层薄膜晶体管简介27
• 3.2 双电层现象原理27-28
• 3.3 以纳米SiO_2为栅介质的IZO双电层薄膜晶体管制备步骤28-31
• 3.3.1 清洗导电ITO玻璃衬底28-29
• 3.3.2 使用PECVD设备沉积纳米SiO_2栅介质29-30
• 3.3.3 使用一步法磁控溅射生长有源沟道和源漏电极30-31
• 3.4 以纳米SiO_2为栅介质的IZO双电层薄膜晶体管性能测试31-33
• 3.4.1 纳米SiO_2双电层栅介质薄膜测试31
• 3.4.2 以纳米SiO_2为栅介质的IZO双电层薄膜晶体管电学性能表征31-33
• 3.5 小结33-34
• 第4章 以鸡蛋清为栅介质的IZO双电层薄膜晶体管34-40
• 4.1 以鸡蛋清为栅介质的IZO双电层薄膜晶体管简介34
• 4.2 以鸡蛋清为栅介质的IZO双电层薄膜晶体管制备流程34-36
• 4.2.1 清洗导电ITO玻璃衬底34
• 4.2.2 使用旋涂匀胶机旋涂鸡蛋清薄膜34-35
• 4.2.3 使用一步法磁控溅射生长有源沟道和源漏电极35-36
• 4.3 以鸡蛋清为栅介质的IZO双电层薄膜晶体管的表征36-39
• 4.3.1 鸡蛋清栅介质薄膜表征36-37
• 4.3.2 以鸡蛋清为栅介质的IZO双电层薄膜晶体管电学性能表征37-39
• 4.4 小结39-40
• 第5章 以蜂蜡为栅介质的IZO柔性纸张薄膜晶体管40-49
• 5.1 以蜂蜡为栅介质的IZO柔性纸张薄膜晶体管简介40
• 5.2 以蜂蜡为栅介质的IZO柔性纸张薄膜晶体管制作流程40-43
• 5.2.1 使用热蒸发工艺在纸张表面蒸镀银膜41
• 5.2.2 使用旋涂匀胶机旋涂蜂蜡薄膜41-42
• 5.2.3 使用一步法磁控溅射生长有源沟道和源漏电极42-43
• 5.3 以蜂蜡为栅介质的IZO柔性纸张薄膜晶体管的表征43-48
• 5.3.1 纸张衬底蜂蜡膜栅介质表征43-45
• 5.3.2 以蜂蜡为栅介质的IZO柔性纸张薄膜晶体管电学性能表征45-46
• 5.3.3 以蜂蜡为栅介质的IZO柔性纸张薄膜晶体管机械及老化性能表征46-48
• 5.4 小结48-49
• 总结49-50
• 参考文献50-55
• 附录A (攻读学位期间所发表的学术论文目录)55-56
• 致谢56-57

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