【摘要】：近年來,透明柔性顯示器件正處于一個極速發(fā)展的過程之中,這進一步地提高了作為關(guān)鍵開關(guān)元件的薄膜晶體管(Thin Film Transistors,TFTs)性能要求。氧化物半導(dǎo)體尤其是非晶氧化物半導(dǎo)體,作為目前最主流的TFTs有源溝道層材料,具有許多引人注目的優(yōu)點,如較高的遷移率,優(yōu)良的機械柔韌性,較高的光學(xué)透明度以及簡單的低溫制備工藝等,是目前最有潛力替代傳統(tǒng)a-Si:H的材料之一。本文針對當(dāng)前較為熱門的ZnO、In_2O_3和InGaZnO等非晶氧化物半導(dǎo)體,采用射頻磁控濺射的方式制備了相關(guān)器件,對它們進行了氫摻雜效應(yīng)的探究和雙層結(jié)構(gòu)的設(shè)計,具體相關(guān)內(nèi)容如下:首先,我們使用磁控濺射制備了ZnO、In_2O_3和InGaZnO TFTs,并對它們分別進行了氫等離子體處理,處理時間從0~12 min變化。當(dāng)氫等離子體處理時間從當(dāng)0 min增加到5 min,ZnO:H-TFTs的閾值電壓不斷負偏,從1.1 V減小-23.4 V,處理時間增大到8 min以上時,器件無法關(guān)斷。當(dāng)處理時間從0 min增加到12 min,ZnO:H-TFTs的遷移率從3.8 cm~2/Vs增大到14.3 cm~2/Vs;當(dāng)氫等離子體處理時間從0 min增加到9 min,InGaZnO:H-TFTs的閾值電壓不斷負偏,從0.1 V減小-27.1 V,當(dāng)處理時間增大到10 min以上時,器件無法關(guān)斷。然而,與ZnO-TFTs不同的是,當(dāng)處理時間從0 min增加到12min,InGaZnO:H-TFTs的遷移率出現(xiàn)減小的情況,0 min時為26.0 cm~2/Vs,3 min時遷移率達到最高(36.6 cm~2/Vs),繼續(xù)增加處理時間,遷移率減小。然而,當(dāng)時間增加到12min時,器件無法關(guān)斷;In_2O_3-TFTs與ZnO-TFTs和InGaZnO-TFTs不同,隨著氫等離子體處理時間的不斷增加,轉(zhuǎn)移特性曲線先左移然后右移,器件的開態(tài)電流經(jīng)歷了先增加后減小的過程。當(dāng)處理時間從0 min增加到6 min,器件的閾值電壓不斷負偏,從-4.5V減小-35.2 V,遷移率從35.0 cm~2/Vs增大到55.9 cm~2/Vs,當(dāng)處理時間繼續(xù)增加,器件的閾值電壓從-35.2 V增大到-19.2 V,,遷移率從55.9 cm~2/Vs減小到30.8 cm~2/Vs。其次,我們使用磁控濺射在室溫條件下制備了高遷移率雙層InGaZnO/In_2O_3薄膜晶體管。首先,我們研究了不同厚度組合和薄膜沉積順序?qū)﹄p層器件性能的影響,結(jié)果得到InGaZnO(5 nm)/In_2O_3(20 nm)TFTs具有最好的電學(xué)性能,遷移率達到64.4 cm~2/Vs,亞閾值擺幅為204 mV/dec,開關(guān)比為2.5×10~7和回滯電壓為1.8 V。并且在我們使用high-k柵極絕緣層(HfO_2和Si_3N_4)后,薄膜晶體管具有更高的遷移率,分別為67.5 cm~2/Vs和79.1 cm~2/Vs,且器件的亞閾值擺幅值得到了進一步的改善,分別為85 mV/dec和92mV/dec。然后,我們研究了不同襯底溫度下生長的InGaZnO和In_2O_3單層器件的電學(xué)特性,兩種器件完全不同的電學(xué)性能變化趨勢說明了兩種材料起主導(dǎo)作用的缺陷類型是不同的。我們基于此提出了InGaZnO和In_2O_3薄膜間的缺陷自補償效應(yīng)。為了驗證這個機制,我們首先通過SILVACO/Atlas系統(tǒng)得到了與實驗測量一致的仿真結(jié)果,并根據(jù)第一性原理計算對器件進行了模擬仿真,觀察到In-O鍵的形成;接著我們使用X射線光電子能譜分析了InGaZnO(5 nm),InGaZnO(5 nm)/In_2O_3(2 nm)和InGaZnO(5 nm)/In_2O_3(5 nm)三種薄膜的O 1s能譜,隨著In_2O_3薄膜厚度從2 nm增加5 nm,氧空位的不斷減少以及M-O鍵的不斷增加意味著缺陷自補償效應(yīng)的存在;最后,低頻噪聲能譜分析也進一步地驗證了平均缺陷密度的減小。最后,我們制備了ZnO/In_2O_3、Al_2O_3/In_2O_3和Ga_2O_3/In_2O_3 TFTs,研究了它們的電學(xué)性能。ZnO/In_2O_3、Al_2O_3/In_2O_3和Ga_2O_3/In_2O_3 TFTs的遷移率均得到不同程度的提升,分別為46.2 cm~2/Vs、55.4 cm~2/Vs和47.5 cm~2/Vs;閾值電壓分別為-2.3 V、-6.8 V和0.2 V。ZnO/In_2O_3 TFTs中由于In_2O_3高于ZnO的費米能級而導(dǎo)致ZnO薄膜中的電子往In_2O_3層遷移,從而導(dǎo)致ZnO薄膜中靠近ZnO/In_2O_3接觸界面處的電子耗盡以及內(nèi)建電場的形成,降低了In_2O_3的電阻率,增加了遷移率同時導(dǎo)致閾值電壓的偏移;Al_2O_3和In_2O_3接觸時形成2D電子溝道,In_2O_3中的O脫離到Al_2O_3引起簇式自摻雜,導(dǎo)致In_2O_3發(fā)生半金屬化,從而增大了開態(tài)電流并使得閾值電壓負偏。Ga_2O_3和In_2O_3接觸時,由于In_2O_3相比于Ga_2O_3的能級補償(~0.27 eV)很低,導(dǎo)致In_2O_3層向Ga_2O_3發(fā)生載流子注入,從而增加了器件的電導(dǎo)率,增強了性能。
【圖文】：

和 Brattain 發(fā)明了一種點觸式的晶體管器件[8]。1949 年，貝爾實驗室的 Shockley 又發(fā)明了另一種特殊的結(jié)構(gòu)：雙極型晶體管[9]。隨后，經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，Weimer 才于 1962年在 RCA 實驗室成功獲得第一個 TFT[10]。Weimer 使用真空蒸發(fā)技術(shù)沉積金的電極，多晶化合物硫化鎘（CdS）n 型半導(dǎo)體有源層，以及熱氧化形成的二氧化硅（SiO2）柵極絕緣層制備 TFT，并通過金屬掩模版進行圖形化。1964 年，Klasens 和 Kolemans 提出了由玻璃上蒸發(fā)的氧化錫（SnO2）半導(dǎo)體，鋁（Al）金屬源漏電極和陽極化處理過的氧化鋁（Al2O3）柵極介質(zhì)層組成的 TFTs[11]。1968 年，Boesen 和 Jacobs 發(fā)表了一篇關(guān)于鋰摻雜氧化鋅（ZnO:Li）單晶半導(dǎo)體的 TFTs，使用熱蒸發(fā)沉積 SiOx和 Al 作為介質(zhì)層和電極，制備的器件柵極調(diào)控能力很差并且漏極電流沒有達到飽和[12]。1970 年，Aoki 和Sasakura 獲得了電學(xué)性能很差的 SnO2-TFTs[13]。此后，直到 1996 年，才出現(xiàn) AOS 重新應(yīng)用于溝道層的報道，Prins 等人使用鐵電場效應(yīng)材料 SnO2:Sb 制備了 TFTs[14]，并給出了器件回滯與鐵電特性之間的關(guān)系，Seager 等人制備了 In2O3-TFTs[15]。

圖 1-3 TFT 基本結(jié)構(gòu)（a）底柵極，頂接觸（b）底柵極，底接觸（c）頂柵極，頂接觸（d）頂柵極，底接觸薄膜晶體管的工作原理膜晶體管具有典型的開關(guān)特性和放大特性，我們通過測量 TFTs 的轉(zhuǎn)移特VGS）和輸出特性曲線（IDS-VDS）來分析其具體的電學(xué)性能，衡量器件的優(yōu)特性時，我們在源漏電極間施加固定的電壓 VDS，測量隨 VGS增加時的源；測量輸出特性時，我們維持 VGS為一個特定值，測量隨 VDS增加時的源，然后改變 VGS的值測出一系列的輸出曲線。TFT 器件為柵壓控制器件，變柵壓調(diào)控有源溝道中的多數(shù)載流子分布，達到控制源漏電流的目的。根
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN321.5

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4 胡詩r，

本文編號：2594462