【摘要】：氧化物半導體材料(OS)憑借其低成本、低沉積溫度、高遷移率(1～100 CIcm2/Vs)、在可見光波段透明和易于大面積制備的優(yōu)點,在柔性、透明和可穿戴電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前,OS薄膜晶體管(TFT)已經(jīng)開始在商用的平板顯示器中取代非晶硅(a-Si)TFT。除平板顯示,OS TFT在其他領(lǐng)域(例如制備在玻璃或柔性襯底上的集成電路和高頻器件)也有巨大的應(yīng)用潛力。大部分OS為n型半導體,例如非晶銦鎵鋅氧(a-IGZO)和氧化鋅(ZnO),只有極少數(shù)的OS表現(xiàn)出p型導電特性。最近,一些OS被認為是具有研究價值和應(yīng)用潛力的p型材料,然而,總體來說p型OS的研究進展還落后于n型OS。對于OS來說,發(fā)展CMOS技術(shù)是一個重要課題。在基于OS的低功耗、高噪聲容限、高良率、高可靠性的CMOS集成電路(IC)中,p型TFT不可或缺。長期以來,由于沒有與n型OS TFT性能相當?shù)母咝阅躳型OS TFT,基于OS的復雜CMOS電路的研究和應(yīng)用一直受到限制,因此,科學家們付出了大量的努力去尋找和研究p型OS。時至今日,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的p型OS包括三元銅氧化物、二元銅氧化物、氧化亞錫(SnO)、氧化鎳等。在這些p型OS中,SnO憑借其本征p型導電特性和高空穴遷移率被認為是最具潛力的p型OS之一。雖然基于p型SnO和n型OS(例如In203、SnO2、、IGZO、和ZnO)的CMOS反相器的研究已經(jīng)有所報道,但是對基于OS的CMOS電路的系統(tǒng)性研究目前仍然非常有限。本論文針對P型OS發(fā)展比較落后的現(xiàn)狀,利用微納加工技術(shù)和鍍膜工藝,制備了高質(zhì)量的SnOx薄膜和高性能SnOx TFT,并基于p型SnO TFT和n型IGZO TFT設(shè)計和制備了多種CMOS電路。在此基礎(chǔ)上,本文對SnOx薄膜的材料特性、TFT和CMOS電路的器件物理、制備工藝和電學性能進行了系統(tǒng)性研究。主要研究內(nèi)容如下:1)實驗中發(fā)現(xiàn)SnOx薄膜的性質(zhì)對濺射功率非常敏感。當濺射功率僅增大不到2%時,薄膜的導電類型就由n型轉(zhuǎn)變?yōu)閜型。當濺射功率略低于臨界值時(120 W),SnOx TFT的n型導電特性最好。反之,當濺射功率略高于臨界值時(122W),SnOxTFT的p型導電特性最好,其開關(guān)比為1.79××1O4,亞閾值擺幅在所有濺射功率下制備的p型SnOx TFT中最低。當進一步提高濺射功率時,p型SnOx TFT的開關(guān)比下降了一個數(shù)量級以上。我們所制備的p型SnOx TFT是目前文獻中報導的開關(guān)比最高的單柵p型SnOx TFT之一。通過掃描電子顯微鏡、X射線衍射、X射線光電子能譜以及TFT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性表征分析,發(fā)現(xiàn)濺射功率會顯著影響SnOx薄膜的化學計量比,從而影響TFT的電學性能。研究結(jié)果還表明,Sn原子團簇在薄膜表面的析出會有效減小薄膜中Sn間隙原子的含量,進而降低SnO帶隙中由Sn間隙原子引入的缺陷態(tài)密度,這一效應(yīng)在退火溫度為250 ℃時最為明顯。最終,得益于SnO帶隙中缺陷態(tài)密度的下降,SnO TFT的關(guān)態(tài)電流可以維持在比較低的量級,使開關(guān)比達到1O4以上。p型SnO TFT的高關(guān)態(tài)電流一直是制備基于OS的高性能CMOS電路的瓶頸之一,而上述研究結(jié)果和分析為進一步降低p型SnO TFT的關(guān)態(tài)電流,優(yōu)化p型SnO TFT的綜合性能提供了實驗和理論上的有力指導,并為下一步制備基于p型SnO TFT和n型OS的CMOS電路打下了基礎(chǔ)。2)SnO是目前唯一一種在TFT中表現(xiàn)出雙極性導電特性的OS。當濺射功率為200 W、退火溫度為150-250 ℃時,我們觀測到了SnOx TFT的雙極性導電特性。X射線衍射圖譜表明退火后的SnOx薄膜含有多晶SnO和金屬Sn。掃描電子顯微鏡圖表明薄膜退火后表面出現(xiàn)了微孔,一些原子團簇隨后沿著微孔析出,并且實驗結(jié)果表明,這些原子團簇最有可能是金屬Sn原子團簇。原子力顯微鏡圖表明隨著Sn原子團簇的形成,薄膜的表面粗糙度大幅增大。這一工作的重要意義在于:薄膜中多余的Sn原子通常被認為會降低成膜質(zhì)量,但是,如果多余的Sn原子從薄膜中析出,使薄膜中的化學計量比平衡,就會降低SnO帶隙中的缺陷態(tài)密度,有利于SnO的雙極性導電特性的產(chǎn)生。具體機制如下:退火后薄膜中產(chǎn)生的微孔成為理想的形核中心,薄膜中多余的Sn原子會沿著微孔大量析出,使SnO帶隙中由Snn間隙原子引入的缺陷態(tài)密度大幅下降,進而使費米能級可以在柵壓的作用下在導帶底和價帶頂之間自由移動。雙極性TFT在類CMOS電路中有獨特的應(yīng)用前景,而本研究結(jié)果對實現(xiàn)雙極性SnOx薄膜在基于OS的類CMOS電路中的應(yīng)用具有一定的參考價值。另外,我們所制備的雙極性SnOx TFT的工藝溫度不超過200 ℃,因此可以被制備在聚酰亞胺等柔性襯底上。3)結(jié)合n型IGZO和p型SnO TFT,本論文中制備了高性能CMOS反相器。IGZO和SnO薄膜都是在室溫條件下,采用適合工業(yè)大面積生產(chǎn)的射頻磁控濺射法制備的。最高的制備工藝溫度不超過225 ℃,這使得CMOS電路可以在柔性襯底上制備。首先,采用一種初期的版圖和工藝,制備了 CMOS反相器。當電源電壓(FDD)為10 V時,p型和n型溝道寬長比的比值為5的CMOS反相器的電壓增益高達1 12,噪聲容限高達35.4%VDD,邏輯擺幅高達VDD。我們還測試了反相器的動態(tài)特性:當VDD為10 V時,反相器的輸入-輸出延遲時間為27.75 us。然后,為了便于進行大規(guī)�；虼竺娣e的集成,我們進一步優(yōu)化了版圖和工藝并制備了新的CMOS反相器。在優(yōu)化的CMOS反相器中,p型和n型溝道寬長比的比值為6。反相器具有滿幅的輸出電壓(0-FDD)、極低的平均穩(wěn)態(tài)功耗(8.84 nW)、極高的電壓增益(131.57)、極高的噪聲容限(～40%VDD)、極高的良率(98%)和極高的均勻性(多個CMOS反相器的電學性能參數(shù)的標準差可忽略不計)。4)采用初期的版圖和工藝制備了基本CMOS邏輯門電路和3階環(huán)形振蕩器(RO)。與非門(NAND)和傳輸門(TG)的邏輯功能正確,輸出電壓范圍均為理想的0-VDD。當VDD為20 V時,3階RO的振蕩頻率為32.87 kHz,對應(yīng)的延遲時間為5.07 us。我們的研究結(jié)果表明,除NAND和TG之外的各種基本CMOS邏輯門和適用于大面積柔性透明電路的、具有高噪聲容限和低功耗的復雜CMOS電路也是可以基于n型IGZO TFT和p型SnO TFT實現(xiàn)的。5)采用優(yōu)化的版圖和工藝,制備了各種CMOS電路,包括NAND、或非門(NOR)、異或門(XOR)、D鎖存器、全加器以及7、1 1、21和51階RO。NAND、NOR、XOR、D鎖存器和全加器具有理想的動態(tài)輸入-輸出特性。其中,D鎖存器和全加器分別是典型的時序邏輯電路和組合邏輯電路。NAND、NOR、XOR、D鎖存器和全加器理想的性能說明OS可以用來搭建柔性、透明電子設(shè)備中具有復雜邏輯功能的CMOS IC。7、11、21和51階RO被制備出來用于系統(tǒng)性地研究我們的CMOS電路的速度、均勻性和良率。當VDD為10V時,延遲時間約為11us,這一延遲時間使我們的CMOS電路在對速度要求不太高的應(yīng)用場景中具有應(yīng)用潛力。RO的振蕩周期和階數(shù)的線性關(guān)系表明我們的CMOS電路在1.5 cm× 1.5 cm的樣品區(qū)域內(nèi)具有極高的均勻性。另外,51階RO中包含104個TFT(其中有52個IGZO TFT和52個SnO TFT),是世界上第一個基于OS的中規(guī)模CMOS集成電路,這進一步顯示了我們所開發(fā)的CMOS工藝具有極高的良率。上述工作展示了基于OS的低功耗、大面積、大規(guī)模和高性能的柔性透明CMOS電路在平板顯示之外的領(lǐng)域的應(yīng)用潛力,而其對于未來將OS CMOS IC投入實際應(yīng)用,具有一定的參考價值。
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN386
【圖文】：

ＯＳ邋ＴＦＴ，ｐＯ；逡逑然后介紹ＯＳ邋ＴＦＴ在ＡＭＦＰＤ和１Ｃ中的應(yīng)用；最后闡述本論文的研究工作。逡逑１．２氧化物半導體薄膜晶體管的發(fā)展歷程逡逑１．２．１薄膜晶體管的起源逡逑ＴＦＴ概念最早可以追溯到１９３０年Ｌｉｌｉｅｎｆｅｌｄ和Ｈｅｉｌ等人提出的發(fā)明專利。逡逑然而受工藝技術(shù)所限，這一概念并沒有馬上轉(zhuǎn)化為實際的器件。直到１９６２年，逡逑隨著工藝水平的進步，ＲＣＡ實驗室的Ｗｅｉｒａｅｒ使用掩模版定義各層圖形，采用真逡逑空蒸鍍技術(shù)在玻璃襯底上依次制備了金源漏電極、ｎ型多晶硫化鎘（ＣｄＳ）半導逡逑體有源層、二氧化硅絕緣層、金柵電極。ＣｄＳ邋ＴＦＴ是第一個真正意義上的ＴＦＴ，逡逑并且其表現(xiàn)出了明顯的場效應(yīng)特性。Ｗｅｉｍｅｒ的相關(guān)文章，“Ｔｈｅ邋ＴＦＴ－ＡＮｅｗ逡逑Ｔｈｉｎ－ＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ”，在當時引起了廣泛關(guān)注R[。逡逑ＣｄＳ邐ＤＡＲＫ？邋ＰＯＳ丨丁丨ＶＥ邋ＧＡＴＥ逡逑

逡逑二＾邐Ｖ0（邋ＶＯＬＴＳ）逡逑圖１邋－１邋Ｗｅｉｍｅｒ報導的第一個ＴＦＴ的器件結(jié)構(gòu)示意圖（左）、照片（中）和輸出特性曲線（右）逡逑｜７0１。逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｄｅｖｉｃｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋（ｌｅｆｔ），邋ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ邋（ｍｉｄｄｌｅ），邋ａｎｄ邋ｏｕｔｐｕｔ邋ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ邋（ｒｉｇｈｔ）邋ｏｆ邋ｔｈｅ逡逑ｆｉｒｓｔ邋ＴＦＴ邋ｒｅｐｏｒｔｅｄ邋ｂｙ邋Ｗｅｉｍｅｒｆ７０Ｊ．逡逑１．２．２邋ｎ型氧化物半導體薄膜晶體管的發(fā)展歷程逡逑３逡逑

（ｖａｌｅｎｃｅ邋ｂａｎｄ邋ｍａｘｉｍｕｍ，邋ＶＢＭ）由局域化的０邋２ｐ軌道構(gòu)成，不利于空穴的傳輸，逡逑空穴遷移率（＾）低［８４］。目前只有少數(shù)幾種０Ｓ具有與眾不同的能帶結(jié)構(gòu)，使其逡逑適合ｐ型導電，例如氧化亞錫（ＳｎＯ）和氧化亞銅（Ｃｕ２０）。圖１－３給出了邋ＳｎＯ逡逑和Ｃｕ２０的電子結(jié)構(gòu)示意圖。ＳｎＯ的ＶＢＭ由Ｓｎ邋５ｓ軌道和０邋２ｐ軌道雜化而成，逡逑Ｓｎ邋５ｓ軌道削弱了邋０邋２Ｐ軌道的局域化特性，帶來了低空穴有效質(zhì)量和高與逡逑ＳｎＯ類似，Ｃｕ２０的ＶＢＭ由Ｃｕ邋３ｄ軌道和０邋２ｐ軌道雜化而成，同樣有利于空穴逡逑傳輸。除了邋ＳｎＯ和Ｃｕ２０之外，氧化鎳（ＮｉＯ）等也被發(fā)現(xiàn)是頗具潛力的ｐ型逡逑０Ｓ材料［６９］。ＭＯ、Ｃｕ２０和ＳｎＯ是目前研究最多的三種ｐ型ＯＳ，而基于上述三逡逑種ｐ型０Ｓ的ＴＦＴ的制備均始于２００８年［８４－８６］，下面分別介紹以上三種ｐ型ＯＳ邋ＴＦＴ逡逑的發(fā)展歷程。逡逑（ａ）邐Ｓｎ邋ｃａｔｉｏｎ邐（ｂ）邐Ｃｕ邋ｃａｔｉｏｎ逡逑）邐（５ｐ）邐Ｗ邐（４ｓ）逡逑Ｅｎｅｒｇｙ邐ＣＢＭ邐Ｅｎｅｒｇｙ邐ＣＢＭ逡逑卜邐ｕ，逡逑ＶＢＭ邐ＶＢＭ逡逑ｂｂｂ｜＾ｒｈｂｃ、逡逑Ｓｎ邋ｃａｔｉｏｎ0邋ａｎｉｏｎ邐Ｃｕ邋ｃａｔｉｏｎ邐Ｏ邋ａｎｉｏｎ逡逑４ｄ１0５ｓ２邐２ｐ６邐５ｒｆｉ0邐Ｔｌ邐２ｐ？逡逑圖１－３邋（ａ）邋ＳｎＯ和（ｂ）邋Ｃｕ２０的電子結(jié)構(gòu)示意圖丨６９丨。逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ邋ｏｆ邋（ａ）邋ＳｎＯ邋ａｎｄ邋（ｂ）邋Ｃｕ２0｜６９１．逡逑（１）邋ＮｉＯＴＦＴ的發(fā)展歷程逡逑２００８年

本文編號：2794026