【摘要】：金屬氧化物半導(dǎo)體被認(rèn)為是最有希望取代硅基材料而作為薄膜晶體管(TFT)的溝道材料。金屬氧化物薄膜晶體管(MO-TFT)主要具有以下優(yōu)點(diǎn):1)載流子遷移率高;2)器件性能均勻,適合大面積生產(chǎn);3)制備溫度低,適合柔性顯示;4)禁帶寬且可見光下透明,適合透明顯示。目前它完全滿足大尺寸,超高分辨率顯示器的要求,被認(rèn)為是下一代新顯示技術(shù)中最有前途的新技術(shù)之一。然而,隨著新顯示技術(shù)向超高清、超高分辨率和柔性顯示器發(fā)展,它們對金屬氧化物TFT提出了更高的技術(shù)要求:更高的載流子遷移率、更好的可靠性、更低的工藝溫度等。針對以上需求,論文圍繞研制高電學(xué)特性、高穩(wěn)定性、可柔性化的金屬氧化物薄膜晶體管為目標(biāo),針對銦錫鋅氧化物(InSnZnO)薄膜晶體管材料改性與性能關(guān)系展開了研究工作,其主要研究內(nèi)容和成果如下:針對傳統(tǒng)銦鎵鋅氧化物(InGaZnO)材料遷移率較低(~10cm~2/Vs)的問題,利用共濺射的方法成功制備出高載流子遷移率InSnZnO(ITZO)四元材料,并以該材料作為有源層制備了高遷移率的InSnZnO-TFT,同時(shí)研究了退火工藝對InSnZnO薄膜界面及其TFT器件性能的影響。研究結(jié)果表明,控制ITZO薄膜中的固有缺陷對于改善ITZO TFT的電學(xué)性能非常重要。由于Sn原子能有效抑制ITZO薄膜中氧空位缺陷的形成,而不同退火溫度能有效調(diào)節(jié)器件中氧空位缺陷的含量和載流子的濃度。因此,通過對退火溫度等條件的優(yōu)化,成功制備了具有高飽和載流子遷移率(μ_(sat)~27.4cm~2V~(-1)s~(-1))、高環(huán)境穩(wěn)定性的ITZO TFT。針對金屬氧化物TFT穩(wěn)定性差的問題,利用氣相自組裝單分子層(SAMs)作為背溝道修飾層的方法,研究了不同鏈長的有機(jī)自組裝單分子層作為背溝道修飾層對InSnZnO TFT器件性能及其環(huán)境穩(wěn)定性的影響。研究發(fā)現(xiàn),長烷基鏈的SAMs可以提供有序且高度疏水的單層,并獲得ITZO TFT的最佳性能,場效應(yīng)遷移率(μ_(FE))高達(dá)22.9 cm~2V~(-1)s~(-1),閾值電壓(V_(th))低至-0.1V,亞閾值擺幅(SS)低至0.076V/dec,開關(guān)電流比(I_(on)/I_(off))高達(dá)4.3×10~8。此外,器件在持續(xù)一小時(shí)的偏壓(V_(gs)=10V)下,閾值電壓僅漂移0.4V,在不同濕度條件下器件性能基本不變。同時(shí),本文還利用無機(jī)鈍化材料致密性好,能有效地抑制氧原子從氧化物半導(dǎo)體薄膜中逸出而形成氧空位(V_O)的優(yōu)點(diǎn),結(jié)合有機(jī)硅烷能夠通過自組裝的方法,在氧化物表面形成一個(gè)超疏水界面,從而能夠有效阻止水分子的吸附與透過的優(yōu)點(diǎn),制備了基于SAMs/Al_2O_3雙層鈍化的ITZO TFT,系統(tǒng)地研究了SAMs/Al_2O_3雙層鈍化分別對于器件性能及其穩(wěn)定性的影響并與Al_2O_3單獨(dú)鈍化進(jìn)行了比較。相比Al_2O_3鈍化的ITZO TFT,SAMs/Al_2O_3雙層鈍化的ITZO TFT表現(xiàn)出更加優(yōu)越的性能,其場效應(yīng)遷移率(μ_(FE))高達(dá)19.8cm~2V~(-1)s~(-1),開關(guān)電流比(I_(on)/I_(off))高達(dá)8.7×10~9,閾值電壓(V_(th))低至0.9V,亞閾值擺幅(SS)低至0.04 V/dec。結(jié)果表明由于SAMs/Al_2O_3雙層鈍化中SAMs對Al_2O_3鈍化層的修飾,在消除了Al_2O_3鈍化層表面羥基及表面缺陷的同時(shí)形成了一個(gè)超疏水界面,更有效地增強(qiáng)了鈍化層對空氣中水氧的阻隔能力。針對柵介質(zhì)層界面對于器件的性能影響較大的問題,論文研究了柵介質(zhì)層修飾對MO-TFT性能的影響。通過在柵介質(zhì)層和有源層之間引入自組裝單分子層作為柵介質(zhì)層的修飾層,以改善柵介質(zhì)層和有源層的界面特性,降低表面粗糙度和表面能。同時(shí)還研究了自組裝分子所含烷基鏈長短對器件修飾效果的影響并探索了相關(guān)機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)相比長烷基鏈的SAMs,短烷基鏈的SAMs對于柵介質(zhì)層界面的修飾更有利于器件性能的提高。針對金屬氧化物TFT應(yīng)用于柔性平板顯示技術(shù)的問題,本文在聚酰亞胺(PI)基板上制備了彎曲曲率半徑可達(dá)10mm的柔性金屬氧化物TFT。為了解決金屬氧化物TFT穩(wěn)定性差的問題,采用正辛基三乙氧基硅烷(OTES)自組裝層修飾柔性ITZO-TFT的背溝道表面,通過化學(xué)反應(yīng),消除了ITZO薄膜表面的羥基基團(tuán),同時(shí)形成長程有序的高疏水分子層,降低了表面能和表面極性,從根源上解決了ITZO-TFT穩(wěn)定性差的問題。鈍化層極大地改善了柔性ITZO TFT的正偏壓應(yīng)力(PBS)和負(fù)偏壓應(yīng)力(NBS)穩(wěn)定性,其閾值電壓在PBS/NBS的應(yīng)力條件下1小時(shí)僅有0.8/1.3V的偏移。同時(shí)所制備的柔性ITZO-TFT器件展示了良好的柔韌性,在一定的曲率半徑下,器件也可以保持良好的電學(xué)性能。
【圖文】：

圖 1-1 MOSFETs 和 TFTs 典型的結(jié)構(gòu)比較Fig.1-1 Typical structure comparison of MOSFETs and TFTs1.3 薄膜晶體管的應(yīng)用領(lǐng)域TFT 在集成電路制造中具有與硅場效應(yīng)晶體管(FET)相同的集成度，但這兩種技術(shù)由于受到不同應(yīng)用的驅(qū)動而出現(xiàn)分歧。隨著其特征尺寸的減小，硅 IC 成本和性能都會提高，摩爾定律表明，集成電路上單位面積可容納的元器件的數(shù)目，約每隔 18-24 個(gè)月便會增加一倍。相比之下，大尺寸的襯底而不是器件密度是 TFT 的發(fā)展動力所在。由于不同的制造方法，TFT 的單位面積成本遠(yuǎn)低于硅 IC，但每個(gè) FET 的成本要高得多。因此，TFT 不能與硅 IC 競爭處理能力，而硅 IC 不可能以平方米尺寸陣列制造。MOSFET主要應(yīng)用在集成電路技術(shù)領(lǐng)域，而 TFT 則主要在平板顯示領(lǐng)域中大顯身手。有源矩陣驅(qū)動是平板顯示技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，，而 TFT 則是有源矩陣驅(qū)動技術(shù)中的核心電子器件。目前在平板顯示技術(shù)中，最具代表性、應(yīng)用最為廣泛的當(dāng)屬主動矩陣液晶顯示(AMLCD)

個(gè) TFT 控制。其等效電路圖如圖 1-2 所示。圖 1-2AMLCD 亞像素等效電路Fig.1-2 Sub-pixel equivalent circuit of AMLCD存儲電容；CLC為液晶電容。因?yàn)?TFT 和液晶電容在畫面保持的s的作用是使得當(dāng)前顯示的畫面能夠保持到下一個(gè)信號進(jìn)來前。D 顯示陣列則可以等效為圖 1-3 中所示的陣列。在顯示過程中每一行依次打開。打開每一行時(shí)，通過信號線在對應(yīng)的亞像素中電壓信號。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN321.5

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