【摘要】：氧化鋅(zinc oxide,ZnO)是非常重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料,它具有優(yōu)異的光電性能、低生長(zhǎng)溫度、高耐輻射性能、無毒無害、環(huán)境友好、儲(chǔ)量豐富等優(yōu)點(diǎn),在光電子學(xué)、柔性電子學(xué)、高壓電子學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。然而,缺乏穩(wěn)定可靠的p型ZnO材料限制了其在光電子領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用,ZnO基柔性薄膜晶體管(thin-film transistor,TFT)和高壓薄膜晶體管(HV-TFT)則需要更優(yōu)良、更穩(wěn)定的性能。為此,我們從基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)兩方面開展了研究工作。從基礎(chǔ)科學(xué)的角度出發(fā),我們采用共摻雜方法,研究了ZnO中的點(diǎn)缺陷行為,嘗試為p型摻雜提供可能的解決方案。我們使用射頻等離子體輔助分子束外延方法成功制備了Na-F共摻的ZnO單晶薄膜,結(jié)合X射線光電子能譜、二次離子質(zhì)譜、變溫霍爾效應(yīng)等表征手段驗(yàn)證了Na-F共摻對(duì)于Na雜質(zhì)固溶度的提高以及對(duì)填隙位的Na補(bǔ)償施主的抑制作用。高達(dá)10~(20) cm~(-3)的F和Na的摻雜濃度并沒有影響晶格常數(shù),F的引入提高了ZnO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量,降低了表面粗糙度,增加了霍爾遷移率。F摻雜提高了ZnO薄膜的費(fèi)米能級(jí),Na填隙的形成能增加,同時(shí)Na替位的形成能降低,因此絕大多數(shù)的Na雜質(zhì)都處于Zn的晶格位上,Na填隙所占比例遠(yuǎn)小于2.3%。Na-F共摻的ZnO薄膜的高摻雜濃度和低電子濃度說明絕大部分F施主都被補(bǔ)償,而它的高遷移率和Na與F一致的深度分布說明Na與相鄰的F離子形成(F_O~+-Na~-_(Zn))~0中性復(fù)合缺陷。摻雜還影響了ZnO薄膜的發(fā)光,在低溫光致發(fā)光譜中,ZnO:F和ZnO:Na-F都存在3.352 eV附近與F施主有關(guān)的D~0X發(fā)光峰。本征ZnO出現(xiàn)了與Zn空位(V_(Zn))有關(guān)的深能級(jí)發(fā)光,而ZnO:F中F_O~+-(1_(Zn)~(2—)復(fù)合缺陷的形成消除了孤立的V_(Zn)缺陷,因此沒有出現(xiàn)深能級(jí)發(fā)光。在ZnO:Na-F中(F_O~+-Na~-_(Zn))~0的形成導(dǎo)致大量V_(Zn)殘留,增強(qiáng)了深能級(jí)的發(fā)光。從應(yīng)用技術(shù)的角度出發(fā),我們研制了ZnO基柔性薄膜晶體管,探索了兩種耐高溫的柔性襯底,通過退火提高器件的性能和穩(wěn)定性。目前柔性薄膜晶體管主要是基于有機(jī)聚合物襯底,然而它們難以承受較高的處理溫度,熱膨脹系數(shù)比較大,對(duì)水和氧氣的阻隔能力差,對(duì)器件的性能、穩(wěn)定性、使用壽命等有很大的影響。我們首先研究了金屬銅襯底上的柔性ZnO TFT,采用電鍍銅工藝獲得了25μm厚的柔性金屬銅箔,解決了金屬襯底表面粗糙的問題,退火后TFT的性能和穩(wěn)定性有所提升,在10,000次彎曲后性能仍然保持穩(wěn)定。然后我們研究了云母襯底上的柔性透明InGaZnO(IGZO)TFT,它在可見光范圍內(nèi)的平均透過率高達(dá)86.75%。隨著退火溫度的升高,TFT的電學(xué)性能和穩(wěn)定性增加。15μm厚的云母具有極佳的機(jī)械性能,在10,000次彎曲后TFT的性能仍然保持穩(wěn)定。這兩種耐高溫的材料都有利于高性能、高穩(wěn)定性的柔性電子器件的實(shí)現(xiàn)與實(shí)際應(yīng)用。從應(yīng)用技術(shù)的角度出發(fā),我們還研制了高壓薄膜晶體管。為了解決柵絕緣層和溝道層界面缺陷態(tài)對(duì)HV-TFT的擊穿電壓和開關(guān)比的影響,我們采用雙層溝道結(jié)構(gòu)鈍化了這些界面缺陷態(tài),實(shí)現(xiàn)了高性能的HV-TFT。我們首先分別研究了兩層溝道的不同厚度對(duì)于TFT性能和穩(wěn)定性的影響。低阻層IGZO具有10~(19) cm~(-3)量級(jí)的電子濃度,鈍化了界面缺陷態(tài),它非常光滑的表面形貌提供了良好的同質(zhì)界面,TFT的遷移率、亞閾值擺幅、閾值電壓、回滯電壓等性能都大幅提升。厚的高阻層IGZO會(huì)增大源漏電極與溝道的接觸電阻,也會(huì)使回滯曲線由順時(shí)針轉(zhuǎn)變?yōu)槟鏁r(shí)針。然后我們采用最優(yōu)的雙層條件制備了HV-TFT,它的開關(guān)比高達(dá)10~(10),擊穿電壓高于200 V。承受高壓的錯(cuò)排(offset)結(jié)構(gòu)只影響過閾值區(qū)的電流,而不影響閾值電壓、回滯電壓、關(guān)態(tài)電流。TCAD仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比說明高的開態(tài)電流來自于低阻層IGZO所提供的導(dǎo)電通道。最后我們介紹了薄膜晶體管中廣泛存在的關(guān)態(tài)時(shí)漏極電流轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)向的現(xiàn)象。通過建立TFT在關(guān)態(tài)時(shí)的動(dòng)態(tài)等效電路,我們得出負(fù)向的漏極電流來源于柵絕緣層電容的放電效應(yīng)。當(dāng)漏極電壓較小、初始柵壓較小、掃描速度較大、柵絕緣層電阻較大、電容較大、漏極接觸電阻較小時(shí),關(guān)態(tài)漏極電流更容易出現(xiàn)負(fù)值。通過上述研究,我們揭示了ZnO中一些點(diǎn)缺陷的行為,有利于理解ZnO的電學(xué)和光學(xué)特性,對(duì)于相關(guān)材料的研究也有借鑒意義;我們提高了柔性薄膜晶體管的性能和穩(wěn)定性,提出的兩種耐高溫襯底也不僅僅局限于TFT的應(yīng)用;我們?cè)诟邏罕∧ぞw管中引入了雙層溝道結(jié)構(gòu),提高了擊穿電壓和開關(guān)比,有助于可穿戴器件等領(lǐng)域的發(fā)展;我們闡述了TFT的異常關(guān)態(tài)電流現(xiàn)象及其原因。
【圖文】：

闡述 p 型摻雜的困難所在；然后介本論文的主要內(nèi)容與結(jié)構(gòu)。質(zhì)帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體材料，它有三鋅礦（zinc blende，B3）、巖鹽礦定相是纖鋅礦結(jié)構(gòu)，如圖 1.1 所示close-packed）亞晶格，這兩套亞晶 sp3雜化共價(jià)結(jié)合成四面體配位，其立方襯底上可以得到穩(wěn)定的閃鋅礦而研究最多的還是纖鋅礦 ZnO，在O。

論計(jì)算得到的 ZnO 能帶結(jié)構(gòu)，，其中價(jià)帶頂?shù)哪芰吭O(shè)etically calculated band structure of ZnO, where the enerzero[8].表 1.1 ZnO 的基本性質(zhì)[9]。Table 1.1 Basic properties of ZnO[9].性質(zhì) 數(shù)值300 K 時(shí)晶格常數(shù)aca/cu0.32495 nm0.52069 nm1.6020.345密度 5.606 g/cm-3300 K 時(shí)穩(wěn)定相 Wurtzite熔點(diǎn) 1975 °C熱導(dǎo)率 0.6, 1 1.2 W/cm K線膨脹系數(shù) a: 6.5 10-6K-1c: 3.0 10-6K-1靜介電常數(shù) 8.656折射率 2.008, 2.029
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN304;TN321.5

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 皮樹斌;楊建文;韓炎兵;張群;;鉍摻雜氧化銦鋅薄膜晶體管的研究[J];復(fù)旦學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2017年03期

2 ;日本向三星轉(zhuǎn)讓新一代薄膜晶體管技術(shù)[J];網(wǎng)印工業(yè);2011年09期

3 何曉陽(yáng);薄膜晶體管制作工藝的發(fā)展概況[J];半導(dǎo)體技術(shù);1997年02期

4 中廳;;最優(yōu)化多晶硅薄膜制成的高性能薄膜晶體管[J];發(fā)光快報(bào);1987年Z1期

5 禹芳;;薄膜晶體管[J];光電子學(xué)技術(shù);1988年03期

6 陳祖平;1988年國(guó)際顯示研究討論會(huì)簡(jiǎn)介[J];光電子學(xué)技術(shù);1989年02期

7 吳茂林;;采用多晶硅的高壓薄膜晶體管[J];電子技術(shù);1989年11期

8 曹明子;;夏普公司開發(fā)出14英寸薄膜晶體管彩色液晶顯示屏[J];發(fā)光快報(bào);1989年03期

9 周華;;用于大面積LCD的高遷移率多晶硅TFT的低溫制備[J];發(fā)光快報(bào);1989年06期

10 葉如華;國(guó)外薄膜晶體管研究工作進(jìn)展[J];發(fā)光與顯示;1980年01期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 雷威;陶治;王昕;;場(chǎng)發(fā)射薄膜晶體管的研究[A];2016真空電子學(xué)分會(huì)第二十屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（下）[C];2016年

2 狄重安;張鳳嬌;臧亞萍;黃大真;朱道本;;有機(jī)超薄薄膜晶體管的制備及其在傳感器方面的應(yīng)用研究[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第29屆學(xué)術(shù)年會(huì)摘要集——第17分會(huì)：光電功能器件[C];2014年

3 朱樂永;李喜峰;張建華;;溶膠凝膠法制備鉿鋁氧化薄膜及其在薄膜晶體管中的應(yīng)用[A];中國(guó)真空學(xué)會(huì)2014學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集[C];2014年

4 董桂芳;邱勇;;并五苯薄膜晶體管穩(wěn)定性研究[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第二十五屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集（下冊(cè)）[C];2006年

5 朱力;何剛;;全溶液法制備超薄高性能氧化銦薄膜晶體管[A];TFC’17全國(guó)薄膜技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文摘要集[C];2017年

6 張群;;非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管的研究進(jìn)展[A];2013年廣東省真空學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2013年

7 張群;;氧化物半導(dǎo)體溝道層及其薄膜晶體管的研究[A];第八屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議摘要[C];2013年

8 王喜章;染谷隆夫;胡征;陳懿;;n-和p-型有機(jī)半導(dǎo)體涂層對(duì)五并苯薄膜晶體管性能促進(jìn)效應(yīng)[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第二十五屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集（下冊(cè)）[C];2006年

9 廖蕾;許磊;;氧化鋅薄膜缺陷態(tài)調(diào)控及其高性能晶體管研制[A];中國(guó)真空學(xué)會(huì)2014學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集[C];2014年

10 任錦華;楊建文;張群;;非晶摻鎳SnO2薄膜晶體管的制備[A];TFC’17全國(guó)薄膜技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文摘要集[C];2017年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前10條

1 吉通;通海高科將公開發(fā)行新股[N];中國(guó)工商報(bào);2000年

2 記者 張開興 實(shí)習(xí)生 宮世杰;滁州惠科第8.6代薄膜晶體管液晶顯示器件項(xiàng)目正式點(diǎn)亮投產(chǎn)[N];滁州日?qǐng)?bào);2019年

3 記者 李志豪;綿陽(yáng)惠科第8.6代薄膜晶體管液晶顯示器件項(xiàng)目主體廠房封頂[N];綿陽(yáng)日?qǐng)?bào);2019年

4 記者 李志豪;總投資240億元的惠科第8.6代薄膜晶體管液晶顯示器件生產(chǎn)線項(xiàng)目落戶綿陽(yáng)[N];綿陽(yáng)日?qǐng)?bào);2018年

5 記者 任毅;惠科第8.6代薄膜晶體管液晶顯示器件生產(chǎn)線項(xiàng)目落戶綿陽(yáng)[N];四川經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào);2018年

6 記者 羅孝海 呂靜遠(yuǎn);滁州惠科光電科技有限公司第8.6代薄膜晶體管液晶顯示器件項(xiàng)目成功封頂[N];滁州日?qǐng)?bào);2018年

7 記者 施璇;惠科第8.6代薄膜晶體管液晶顯示器件項(xiàng)目在滁隆重開工[N];滁州日?qǐng)?bào);2017年

8 ;扶持薄膜晶體管顯示器產(chǎn)業(yè)發(fā)展稅收優(yōu)惠政策[N];中國(guó)財(cái)經(jīng)報(bào);2005年

9 祖鐵楠;薄膜晶體管 液晶顯示器 技術(shù)及市場(chǎng)前景[N];中國(guó)電子報(bào);2000年

10 記者 祖鐵楠;吉林“通海高科”A股股票即將上市[N];中國(guó)電子報(bào);2000年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 汪炳偉;米級(jí)碳納米管薄膜制備及全透明薄膜晶體管器件[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2018年

2 岳士錄;超薄非晶氧化物半導(dǎo)體及其薄膜晶體管研究[D];浙江大學(xué);2019年

3 阿布來提·阿布力孜（Ablat Abliz）;高性能氫摻雜氧化鋅基薄膜晶體管的優(yōu)化設(shè)計(jì)和作用機(jī)理研究[D];武漢大學(xué);2017年

4 霍文星;氧化鋅共摻雜研究及薄膜晶體管研制[D];中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所);2019年

5 胡詩(shī)r

本文編號(hào)：2612468