非晶铟镓锌氧薄膜晶体管光照稳定性的研究

发布时间：2017-09-16 13:36

  本文关键词：非晶铟镓锌氧薄膜晶体管光照稳定性的研究

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【摘要】：非晶铟镓锌氧(a-IGZO)薄膜晶体管(TFT)凭借其良好的电学性能(如高迁移率、大面积均匀性、可见光透明等)极具潜力成为下一代有源液晶显示(AMLCD)和有源电致发光显示(AMOLED)的驱动电子器件,然而它的稳定性问题却在很大程度上制约其发展。本文针对a-IGZO TFT光照稳定性开展研究,试图了解其内在的物理机制,从而改善它的稳定性,以期为实际的生产应用提供一定的借鉴作用。首先,通过实验探索并建立了用于本研究的a-IGZO TFT的制备工艺后,我们针对a-IGZO TFT的电压偏置稳定特性开展了简单研究,证明了器件保护层的厚度可以显著影响器件的电压偏置不稳定性。其次,我们重点研究了a-IGZO TFT保护层厚度对器件光照稳定性的影响。实验结果表明,a-IGZO TFT的光照稳定性不仅与光照波长有关,也与器件保护层的厚度关系紧密,即光照波长越短,器件越不稳定;保护层厚度越厚,器件光照稳定性越好。我们推断这与电子空穴对和氧空位的产生两种物理机制有关,并且通过a-IGZO TFT的光照恢复实验确定了这两种机制的存在。根据实验数据以及上述两种影响机制,我们提出了一种有效的物理模型定性解释了a-IGZO TFT的稳定性与光照波长以及保护层厚度之间的关系。此外,我们提出了“阈值波长”和“阈值厚度”的概念用于定量描述a-IGZO TFT的光照稳定性。当光照波长小于阈值波长时,a-IGZO TFT的有源层中才能有效地生成电子空穴对;当器件保护层厚度大于阈值厚度时,a-IGZO TFT有源层里将很难产生氧空位。因此a-IGZO TFT器件在未加保护层、短波长光照下最不稳定。之后,我们研究了不同保护层厚度的a-IGZO TFT负向栅极偏置电压下的光照稳定性,发现偏置电压会加剧器件的不稳定性,这可能是由于更多的空穴在负向栅极电压的作用下被栅绝缘层与有源层的界面或栅绝缘层里的缺陷所俘获导致的。最后,鉴于a-IGZO TFT的光照稳定性与IGZO内的氧空位有很大关系,我们尝试研究a-IGZO TFT有源层氧流量对器件光照稳定性的影响。我们先进行了不同氧流量下制备的IGZO薄膜的AFM和XPS实验,结果证明成膜氧流量的增加会降低薄膜表面平整度,减少薄膜内的氧空位。随后制备了四种不同有源层氧流量的a-IGZO TFT,比较它们的电学特性和光照稳定性,发现氧流量的增加不仅会使器件特性变差,更会加剧器件光照下的不稳定性,这是因为氧流量的增加会使IGZO薄膜表面变粗糙,从而使绝缘层与有源层的界面特性变差,增加了界面的缺陷态;另一方面,氧流量的增加虽然减少了IGZO内部的氧空位,但IGZO薄膜中氧的含量却增多了,反而更有利于光照下氧空位的产生,造成a-IGZO TFT更不稳定。因此,在实际量产过程中,应该尽量降低IGZO成膜过程中的氧含量。
【关键词】：非晶铟镓锌氧 薄膜晶体管 稳定性 保护层 氧流量
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN321.5
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-23
• 1.1 引言12
• 1.2 薄膜晶体管12-15
• 1.2.1 薄膜晶体管简介12-13
• 1.2.2 薄膜晶体管工作原理13-14
• 1.2.3 薄膜晶体管中的半导体材料14-15
• 1.3 非晶氧化物薄膜晶体管15-20
• 1.3.1 a-IGZO TFT的简介15-16
• 1.3.2 a-IGZO的材料特性16-19
• 1.3.3 a-IGZO TFT的研究现状19-20
• 1.4 研究意义及研究内容20-23
• 第二章 薄膜晶体管器件的制备与表征方法23-35
• 2.1 器件的制备23-27
• 2.1.1 制备器件材料的选择23-24
• 2.1.2 器件制备的工艺流程24-27
• 2.2 薄膜特性的表征27-29
• 2.2.1 薄膜成膜速率27-28
• 2.2.2 薄膜表面形貌28
• 2.2.3 薄膜光学透过率28-29
• 2.2.4 薄膜元素成分29
• 2.3 器件性能的表征29-34
• 2.3.1 a-IGZO TFT的电学特性及参数表征29-32
• 2.3.2 a-IGZO TFT的稳定性32-34
• 2.4 本章小结34-35
• 第三章 a-IGZO TFT工艺条件及器件稳定性的初步研究35-43
• 3.1 引言35
• 3.2 a-IGZO TFT工艺条件的确立35-39
• 3.2.1 有源层和漏源电极薄膜的制备35-36
• 3.2.2 保护层薄膜的选择与制备36-38
• 3.2.3 退火温度的选择38-39
• 3.3 a-IGZO TFT偏压稳定性39-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第四章 a-IGZO TFT保护层厚度对器件光照稳定性的影响43-58
• 4.1 引言43
• 4.2 不同保护层厚度的a-IGZO TFT光照稳定性实验43-47
• 4.2.1 实验方法43-44
• 4.2.2 实验结果44-47
• 4.3 a-IGZO TFT光照恢复实验47-49
• 4.3.1 实验方法47-48
• 4.3.2 实验结果48-49
• 4.4 a-IGZO TFT光照稳定性的分析与讨论49-52
• 4.5 a-IGZO TFT偏置电压下光照稳定性的研究52-57
• 4.5.1 相同保护层厚度器件有无偏压下光照稳定性的比较52-54
• 4.5.2 不同保护层厚度器件负向偏压下的光照稳定性(NBIS)54-57
• 4.6 本章小结57-58
• 第五章 a-IGZO TFT有源层氧流量对器件光照稳定性的影响58-70
• 5.1 引言58
• 5.2 实验方法58-62
• 5.2.1 不同氧流量下IGZO成膜速率测试58-59
• 5.2.2 不同氧流量下IGZO的单膜对比实验59-62
• 5.2.3 不同氧流量有源层的a-IGZO TFT制备62
• 5.3 实验结果与讨论62-69
• 5.3.1 不同氧流量有源层a-IGZO TFT的电学特性62-65
• 5.3.2 不同氧流量有源层a-IGZO TFT的光照稳定性65-69
• 5.4 本章小结69-70
• 第六章 总结与展望70-72
• 6.1 论文主要内容总结70-71
• 6.2 研究展望71-72
• 参考文献72-77
• 致谢77-78
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文78-81

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