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铟镓氧化锌薄膜晶体管的制备和性能研究

作　者: 徐瑞霞
导　师: 彭俊彪
学　校: 华南理工大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 氧化物半导体场效应晶体管热处理界面修饰
分类号: TN321.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

薄膜晶体管（TFT）是一种以沉积形成的半导体、金属和绝缘体薄膜组成的场效应器件。它是有源矩阵有机发光二极管（AMOLED）和薄膜晶体管液晶显示器（TFTLCD）的驱动电路的核心部件。然而,传统非晶硅的载流子迁移率较低,较难提供足够大的电流以驱动OLED发光;而多晶硅TFT由于存在晶界,晶粒形状、大小不等,造成器件均匀性较差,而且其制备成本高,这些问题都限制了其在OLED中的应用;有机TFT制备简单,但在载流子迁移率、稳定性方面都需要改进,应用于OLED需要作更多的研究。近年来,氧化物TFT异军突起,对它的研究取得了很大的进展,它在载流子迁移率、均匀性、稳定性等方面都具有优势,是未来驱动OLED最有力竞争者之一。因此,开展对新兴的、在AMOLED上较有应用前景的氧化物TFT的研究工作具有重要意义。本论文采用磁控溅射方式制备In-Ga-Zn-O （IGZO）薄膜,同时结合掩模制备了薄膜晶体管器件,从有源层制备条件、器件结构方面对薄膜晶体管性能进行了优化。（1）制备了基于SiO₂为绝缘层的IGZO-TFT,研究了IGZO薄膜的制备条件对器件性能的影响。固定氧分压为7.4%、16.7%、37.4%时制备了IGZO-TFT,在氧分压为7.4%时,相同栅极偏压下的转移特性最佳,具有较高的开态电流以及-3V的开启电压;IGZO薄膜厚度由20nm增至50nm时,IGZO-TFT的关态电流逐渐增加,器件的电流开关比急剧下降,使器件无法正常关断;IGZO-TFT制备完成后的退火处理可以有效提高器件性能,但在较低温度范围内,退火温度的大小对器件性能的影响不大;IGZO-TFT的性能随着靶材被溅射时间的增加而发生周期性变化,XPS分析结果表明导致IGZO-TFT性能变化的原因是IGZO薄膜中In、Ga、Zn的含量随靶材被溅射时间的增加而发生周期性变化。（2）改善SiO₂薄膜与IGZO的界面特性,提高IGZO-TFT的器件性能,本文尝试在SiO₂表面修饰非极性的OTS分子。经OTS修饰后,SiO₂/IGZO薄膜界面处缺陷态减少。器件性能的测试结果表明:SiO₂表面OTS修饰后,其IGZO-TFT的迁移率、电流开关比都有一定提高,而阈值电压有所下降;在器件上施以栅极偏压30V,持续时间600s后,其阈值电压变化量由未修饰的8.3V降低为3.5V,说明SiO₂表面经OTS修饰后,器件的整体性能得到提高。（3）对IGZO-TFT进行热退火时,不同的热退火次序对IGZO-TFT的电学特性进行优化。实验发现:溅射IGZO薄膜之后,再在空气中300oC,持续时间30min退火,随后再制备Ni源漏电极而得到的IGZO-TFT表现出2.8 cm²V^-1s^-1的场效应迁移率、10⁶的电流开关比和约10V的阈值电压;而IGZO-TFT制备完成后再在空气中300℃热退火30min后,所得到的场效应迁移率、电流开关比和阈值电压分别为0.3 cm²V^-1s^-1,10⁴,30V。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
第一章绪论  11-21
  1.1 引言  11
  1.2 薄膜晶体管工作原理及简介  11-13
  1.3 薄膜晶体管的应用  13-16
    1.3.1 薄膜晶体管在LCD中的应用  14-15
    1.3.2 TFT在有源驱动发光二极管中的应用  15-16
  1.4 应用于有源矩阵发光显示的薄膜晶体管  16-20
    1.4.1 非晶硅TFT  16
    1.4.2 多晶硅TFT  16
    1.4.3 有机TFT  16-17
    1.4.4 氧化锌及掺杂氧化锌TFT  17-20
  1.5 本论文的主要工作  20-21
第二章样品制备技术和测试表征技术  21-30
  2.1 磁控溅射技术  21-23
    2.1.1 磁控溅射技术的发展  21
    2.1.2 磁控溅射技术的原理  21-22
    2.1.3 磁控溅射技术的特点  22-23
  2.2 薄膜表征手段  23-26
    2.2.1 扫描电子显微镜  23
    2.2.2 X射线衍射  23-24
    2.2.3 X射线光电子能谱  24-25
    2.2.4 原子力显微镜  25-26
  2.3 器件性能表征  26-30
第三章基于SiO__2 为绝缘层的IGZO-TFT的制备  30-41
  3.1 引言  30
  3.2 IGZO薄膜的制备条件的研究  30-36
    3.2.1 氧含量对IGZO-TFT器件性能的影响  31-32
    3.2.2 薄膜厚度对IGZO-TFT器件性能的影响  32-34
    3.2.3 退火温度对IGZO-TFT性能的影响  34-36
  3.3 沟道长度对IGZO-TFT性能的影响  36-37
  3.4 靶材溅射时间对IGZO-TFT性能的影响  37-40
  3.5 本章小结  40-41
第四章SiO__2 表面OTS 修饰对IGZO-TFT性能的影响  41-50
  4.1 引言  41
  4.2 器件制备  41-44
    4.2.1 SiO__2 表面OTS修饰  41-43
    4.2.2 器件制备  43-44
  4.3 IGZO-TFT器件性能  44-48
  4.4 结果分析  48-49
  4.5 本章小结  49-50
第五章退火次序对IGZO-TFT性能的影响  50-55
  5.1 引言  50
  5.2 器件制备  50-51
  5.3 IGZO-TFT电学性能测试  51-54
  5.4 本章小结  54-55
结论  55-56
参考文献  56-62
攻读硕士学位期间取得的研究成果  62-64
致谢  64-65
附件  65

铟镓氧化锌薄膜晶体管的制备和性能研究

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