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铟锌氧化物薄膜晶体管和高功函数TCO薄膜的研究

作　者: 李桂锋
导　师: 张群
学　校: 复旦大学
专　业: 物理电子学
关键词: 铟锌氧化物薄膜晶体管高功函数透明导电薄膜有机发光二极管磁控溅射脉冲等离子体沉积
分类号: TN321.5
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

有源矩阵有机发光二极管(Active Matrix Organic Light Emitting Diode, AMOLED)显示具有轻薄、反应速度快、对比度高、视角广等特点,被认为是下一代显示技术。其使用的薄膜晶体管(TFT)主要有两种,一种是非晶硅(a-Si)TFT,一种是多晶硅(p-Si)TFT。由于a-Si TFT的载流子迁移率小于1cm2/V.s,不能适应快速、大面积和更高清晰度显示的需求；a-Si薄膜是不透明的,像素开口率达不到100%,为了获得足够的亮度,就需要增加光源强度,从而增加功率消耗；a-Si材料在可见光范围内是光敏材料,在可见光照射下将使TFT性能恶化。低温多晶硅(LTPS)TFT凭借其较高的载流子迁移率具有反应速度快、亮度高、清晰度好等优点,是一种继a-Si TFT的主流技术。但是,p-Si TFT技术同时具有均匀性差、工艺复杂、设备昂贵、成本高等问题；其工艺温度对有机基板而言非常之高,不能适应柔性显示的需求；而且LTPS-TFT也不透明,同样存在光敏性问题。OLED的工作原理基本上可以分为载流子的注入、载流子的传输和载流子复合及辐射衰减三个过程。载流子注入是指载流子通过电极/有机层界面从电极进入有机层的过程。该过程的难易程度对器件的工作电压、效率和寿命有直接的影响。选择合适的电极材料并对电极进行修饰是提高载流子注入和实现注入平衡的重要途径。如果仔细考察一下OLED的发展历史就会发现,OLED效率和稳定性提高的过程在某种意义上说也是电极改善的过程。高功函数阳极可以降低阳极和空穴传输层之间的势垒,改善空穴的注入效果,进而改善器件的性能。针对上述课题,本课题开展了铟锌氧化物半导体TFT以及高功函数透明导电氧化物(TCO)薄膜的研究。透明氧化物半导体(TOS)如In2O3和ZnO的载流子迁移率相对较高,工艺温度较低,在均匀性、成本和适用基板等方面也具有优越性。因此如果在TFTLCD或AMOLED中采用透明氧化物半导体TFT替代a-SiTFT或p-Si TFT作为像素开关,将大大提高有源矩阵的开口率,从而提高亮度,降低功耗；因为制备温度较低甚至是室温,所以氧化物TFT又适用于柔性显示。与采用空穴注入缓冲材料如酞菁铜(CuPc)等技术不同,高功函数TCO薄膜的研制仅需在制备TCO薄膜的工艺中增加一个靶材,与现有的OLED生产工艺的相容性好,方法简单,成本低廉,具有产业化的前景,也有将此技术移植到ITO的制备工艺中的潜能,能够为大规模使用高功函数TCO的技术奠定基础。论文开展的主要研究工作和取得的成果如下：采用直流反应磁控溅射InZn合金靶,在玻璃衬底上制备了非晶透明铟锌氧化物(a-IZO)半导体薄膜。研究了铟锌含量比和氧分量等参数对a-IZO半导体薄膜的电学和光学性能的影响。研究结果表明,通过调节制备过程中的氧分压,在保证可见光平均透射率大于80%的前提下,实现了a-IZO薄膜的电阻率可在10-3ohm-cm到106ohm-cm量级范围内的调制,而且所制备的a-IZO薄膜具有良好的表面平整性,表面方均根粗糙度小于1nm。这对探索全透明TFT器件的沟道层和电极材料具有重要意义。论文研究了顶栅和底栅结构的IZO-TFT。其中,以磁控溅射法室温制备a-IZO半导体沟道层,以脉冲等离子体沉积(PPD)技术制备SiO2介质层薄膜。顶栅结构氧化硅介质层IZO-TFT器件的阈值电压和迁移率分别为-2.4V和0.25 cm2V-1s-1；底栅结构氧化硅介质层IZO-TFT器件的阈值电压和迁移率分别为0.94 V和5.2cm2 V-1s-1,器件的开关比约为104。实验证实了PPD制备的SiO2介质层构成的TFT,也能显示良好的器件性能。以直流磁控溅射法制备的Ta2O5作为介质层,制备了顶栅结构氧化钽介质层IZO-TFT器件,器件的阈值电压和迁移率分别为0.22 V和1.1 cm2V-1s-1。提出了氧化物半导体沟道层和有机介质层研制TFT的思路。采用提拉和旋涂方法低温制备了绝缘性和透明性良好的聚乙烯吡咯烷酮有机介质层。以此有机介质层和a-IZO沟道层结合成功制备了高性能无机-有机复合结构的IZO-TFT,器件迁移率、阈值电压和开关比分别为7.8 cm2V-1s-1、-4.8 v和3.9×105。研究表明,氧分压比较高的条件下制备的IZO薄膜,其载流子迁移率比较低,以它为沟道层制备的TFT器件的迁移率也比较低。采用旋涂法室温制备聚四乙烯苯酚(PVP)有机介质层,其可见光平均透射率也大于85%。采用溅射法室温制备表面平整的a-IZO半导体薄膜。以a-IZO作为沟道层、PVP作为介质层,室温制备了顶栅结构的无机有机混合型TFT,测试结果表明该类型的TFT具有饱和特性,且显示耗尽工作模式。TFT的阈值电压为-1.5V,迁移率为3.3 cm2V-1s-1,开关比为105。聚四乙烯苯酚有机介质层旋涂后,进行低温烘烤处理,烘烤处理后,薄膜晶体管的迁移率、阈值电压和开关比分别为3.8V、25.4 cm2V-1s-1和>106。器件的性能得到了改善,这是由于烘烤有利于去除有机层中溶剂的残余成分和改善有机层与沟道层之间的界面状态。实验结果揭示了该种TFT的良好性能和应用前景。论文在采用直流磁控溅射法研制了具有优良光学和电学性能的掺钨氧化铟(IWO)透明导电氧化物薄膜的基础上,研究了退火处理工艺对IWO薄膜光学和电学性能的影响。实验发现IWO薄膜的光学和电学性能对氧分压非常敏感,退火处理有助于改善IWO薄膜的电阻率,获得了最小电阻率为2.2×10-4ohm·cm,载流子迁移率高达63.5 cm2V-1s-1,可见光范围平均透射率(含基片)83.2%的光学和电学性能优良的IWO薄膜。在IWO薄膜研究工作的基础上,探索性地开展了铂钨共掺高功函数薄膜In2O3：Pt,W的研究。在IWO薄膜之上,研制一层很薄的铂钨共掺氧化铟薄膜,通过改变掺铂含量和铂钨共掺氧化铟薄膜的厚度,实现了既保持透明性,有能有效调制功函数的In2O3：Pt,W透明导电氧化物薄膜。利用XPS和AFM等分析表征In2O3：Pt,W薄膜的化学价态以及表面形貌。In203：Pt,W薄膜的表面方均根粗糙度小于7nm。采用UPS表征样品的表面功函数。实验结果表明,In2O3：Pt,W薄膜中Pt含量为6.7 at.%,薄膜厚度为10nm时,In2O3：Pt,W薄膜的功函数由原来的IWO薄膜的4.6 eV提高到了5.5 eV,这时薄膜的电阻率为5.7×10-4ohm-cm,可见光范围的平均透射率为82.7%,证实了高功函数元素可以有效提高透明导电氧化物薄膜的功函数,为研制高功函数TCO薄膜提供了有价值的思路。在高功函数In2O3：Pt,W研究的基础上,以IWO/In2O3：Pt,W薄膜为阳极,研制了IWO/In203：Pt,W/NPB/Alq3／LiF/Al结构的OLED器件。研究结果表明,当该器件的工作电压为14v时,电流密度和发光亮度分别达到1600mA/cm2和2.5×104cd/m2。而采用ITO薄膜为阳极,以同样结构和同样工艺条件制备的OLED器件,在相同的工作电压条件下,其电流密度和发光亮度仅为950mA/cm2和7.2x103cd/m2,证实了高功函数阳极能有效降低OLED器件的工作电压。

全文目录

摘要  2-5
Abstract  5-12
第一章绪论  12-36
  1.1 前言  12-13
  1.2 氧化物薄膜晶体管  13-29
    1.2.1 薄膜晶体管的基本结构和工作原理  13-18
    1.2.2 氧化物半导体材料的研究  18-19
    1.2.3 ZnO TFT的研究现状  19-22
    1.2.4 In-Ga-Zn-O TFT的研究现状  22-26
    1.2.5 In-Zn-O TFT的研究现状  26-27
    1.2.6 其他氧化物半导体材料的TFT  27-28
    1.2.7 氧化物薄膜晶体管的制备  28-29
  1.3 透明导电氧化物薄膜的研究现状  29-31
  1.4 高功函数透明导电氧化物薄膜  31-33
  1.5 本课题的研究内容及意义  33-36
    1.5.1 本课题研究内容  33-34
    1.5.2 本课题研究意义  34-36
第二章薄膜制备及表征方法  36-48
  2.1 制备方法及原理  36-40
    2.1.1 直流反应磁控溅射  36-37
    2.1.2 脉冲等离子体沉积  37-39
    2.1.3 真空热蒸发方法  39
    2.1.4 有机介质层制备方法  39-40
  2.2 表征方法及原理  40-48
    2.2.1 薄膜透射率  40-41
    2.2.2 薄膜厚度  41-42
    2.2.3 薄膜电学性能测试  42-44
    2.2.4 薄膜微结构分析原理及方法  44-46
    2.2.5 介质层C-V测试方法  46
    2.2.6 薄膜晶体管测试方法  46-48
第三章透明IZO薄膜的研究  48-57
  3.1 IZO薄膜成分、结构及表面形貌  48-52
    3.1.1 IZO薄膜成分  48-49
    3.1.2 IZO薄膜的结构  49-50
    3.1.3 IZO薄膜的表面形貌  50-52
  3.2 氧分压对IZO薄膜电学性能的影响  52-54
  3.3 IZO薄膜光学性能  54-56
  3.4 小结  56-57
第四章基于无机介质层的IZO-TFT的研究  57-63
  4.1 基于无机介质层IZO-TFT的制备  57-59
    4.1.1 无机介质层IZO-TFT中各层薄膜的制备工艺  57-58
    4.1.2 无机介质层IZO-TFT的器件结构  58-59
  4.2 基于氧化硅介质层IZO-TFT的研究  59-61
    4.2.1 顶栅结构氧化硅介质层IZO-TFT器件  59-60
    4.2.2 底栅结构氧化硅介质层IZO-TFT器件  60-61
  4.3 基于氧化钽介质层IZO-TFT的研究  61-62
  4.4 小结  62-63
第五章基于有机介质层IZO-TFT的研究  63-80
  5.1 基于有机介质层IZO-TFT的制备  63-64
    5.1.1 有机介质层IZO-TFT中各层薄膜的制备工艺  63-64
    5.1.2 有机介质层IZO-TFT制作工艺流程  64
  5.2 有机介质层的介电、电学和光学性能  64-68
    5.2.1 有机介质层的介电性能  64-66
    5.2.2 有机介质层薄膜的电学性能  66-67
    5.2.3 有机介质层薄膜的光学性能  67-68
  5.3 基于聚乙烯吡咯烷酮有机介质层IZO-TFT的研究  68-74
    5.3.1 氧分压为5.0×10~(-2)Pa制备IZO沟道层  68-71
      5.3.1.1 聚乙烯吡咯烷酮介质层IZO-TFT的输出特性  68
      5.3.1.2 聚乙烯吡咯烷酮介质层IZO-TFT的转移特性  68-71
    5.3.2 改变氧分压制备IZO沟道层  71-73
      5.3.2.1 聚乙烯吡咯烷酮介质层IZO-TFT的输出特性  71-72
      5.3.2.2 聚乙烯吡咯烷酮介质层IZO-TFT的转移特性  72-73
    5.3.3 聚乙烯吡咯烷酮介质层IZO-TFT的阈值电压  73-74
  5.4 基于聚四乙烯苯酚介质层室温IZO-TFT的研究  74-78
    5.4.1 聚四乙烯苯酚介质层IZO-TFT  74-76
      5.4.1.1 聚四乙烯苯酚介质层IZO-TFT的输出特性  74-75
      5.4.1.2 聚四乙烯苯酚介质层IZO-TFT的转移特性  75-76
    5.4.2 聚四乙烯苯酚介质层IZO-TFT的阈值电压  76-78
  5.5 基于聚四乙烯苯酚介质层退火IZO-TFT的研究  78-79
    5.5.1 聚四乙烯苯酚介质层IZO-TFT的输出特性  78
    5.5.2 聚四乙烯苯酚介质层IZO-TFT的输出特性  78-79
  5.6 小结  79-80
第六章透明导电IWO薄膜及其热处理的研究  80-88
  6.1 透明导电IWO薄膜结构及表面形貌  80-82
  6.2 氧分压对IWO薄膜沉积速度的影响  82-83
  6.3 IWO薄膜电学特性  83-84
    6.3.1 氧分压对IWO薄膜电学性能的影响  83-84
    6.3.2 退火处理对IWO薄膜电学性能的影响  84
  6.4 IWO薄膜的光学性能  84-86
  6.5 小结  86-88
第七章高功函数TCO薄膜和OLED制备及器件性能分析  88-96
  7.1 铂钨共掺高功函数IWO薄膜  88-92
    7.1.1 铂钨共掺IWO薄膜的表面成分  88-89
    7.1.2 铂钨共掺IWO薄膜的电学性能  89-90
    7.1.3 铂钨共掺IWO薄膜的光学性能  90
    7.1.4 铂钨共掺IWO薄膜的表面形貌  90-91
    7.1.5 铂钨共掺IWO薄膜的功函数  91-92
  7.2 OLED的制备及器件性能分析  92-95
    7.2.1 OLED器件制备  92
    7.2.2 OLED器件的发光光谱  92-93
    7.2.3 OLED器件的电流密度  93
    7.2.4 OLED器件的发光亮度  93-94
    7.2.5 OLED器件的发光效率  94-95
  7.3 小结  95-96
第八章全文结论  96-98
参考文献  98-109
附录  109-110
致谢  110-112

铟锌氧化物薄膜晶体管和高功函数TCO薄膜的研究

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