本文關鍵詞：一氧化錫薄膜晶體管與類CMOS電子器件研究　出處：《中國科學院寧波材料技術與工程研究所》2016年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 一氧化錫(SnO) 背溝道表面鈍化 雙極性薄膜晶體 類互補型反相器 次能隙態(tài)密度

【摘要】：傳統(tǒng)的硅基半導體材料已難以滿足新型大面積透明、柔性以及超精細顯示技術的發(fā)展要求。與硅基材料相比,氧化物半導體具有高透過率、高載流子遷移率、優(yōu)異的機械性能以及低成本制備等優(yōu)點,是用于新型顯示驅動薄膜晶體管(TFT)的理想材料。然而,多數(shù)高性能氧化物半導體呈現(xiàn)n-type輸運特性,與n-type氧化物性能相匹配的p-type氧化物比較稀缺。這使得氧化物半導體的應用局限于單極型器件,而難以在互補型器件、電路等應用領域發(fā)揮其作用。因此,開發(fā)高性能p-type或雙極性氧化物半導體是當前氧化物電子學領域的關鍵。鑒于此,本論文致力于p-type一氧化錫(SnO)的研究。本文采用磁控濺射制備SnO薄膜,并系統(tǒng)的探究了濺射功率、O_2/(O_2+Ar)流量比(氧分壓)、工作氣壓、原位施加襯底偏壓以及原位襯底加溫對SnO薄膜的微結構、光學以及電學性能的影響。在薄膜制備基礎上,本論文構筑了底柵p-type SnO薄膜晶體管,系統(tǒng)的研究了不同溝道層制備條件對SnO TFT的性能影響,并通過優(yōu)化后退火處理工藝進一步提高了p-type SnO TFT的性能�；趐-type SnO TFT研究,通過SnO TFT背溝道表面修飾方法,本論文實現(xiàn)了SnO TFT的工作模式由單極p-channel到雙極性工作模式的轉變,并對TFT的工作模式轉變機理進行了深入研究�；陔p極性SnO TFT研究,本輪文構筑了類互補型邏輯反相器并獲得高電壓增益(100)兼寬噪聲容限。主要結論如下:1、SnO薄膜性能1)低氧分壓沉積的SnO薄膜含有較多金屬Sn,隨著氧分壓增加,金屬Sn相逐漸變弱,SnO相逐漸增強,直至生成的薄膜為單相SnO薄膜。高氧分壓下,基膜的部分SnO被氧化成SnO_2,使得SnO相變弱且混合相薄膜呈現(xiàn)非晶態(tài)結構。正是由于薄膜的相組成轉變,薄膜的光學帶隙隨著氧分壓增加而增大,而薄膜的折射率隨著氧分壓增加而下降。純相SnO薄膜的光學帶隙值約為2.6 e V,折射率值約為2.7(波長550 nm)。2)對于金屬Sn占主導的Sn-SnO混合相薄膜(n-type輸運區(qū)),其電子濃度隨著SnO含量增加(氧分壓上升)而升高,電阻率隨著SnO含量增加而下降,載流子輸運呈現(xiàn)簡并傳導。這可能是由于SnO在富Sn的環(huán)境下會產(chǎn)生施主類缺陷態(tài),導致薄膜的電子濃度上升。對于SnO占主導的Sn-SnO混合相薄膜(p-type輸運區(qū)),其空穴濃度隨著Sn含量減少而逐漸下降,電阻率隨著Sn含量減少而逐漸增加。這可能是因為金屬Sn相關的結構缺陷在SnO薄膜中產(chǎn)生受主類缺陷態(tài),導致薄膜的空穴濃度上升。對于SnO占主導的SnO-SnO_2混合相薄膜(p-type輸運區(qū)),其空穴濃度隨著SnO_2含量增加(氧分壓上升)而下降,電阻率隨著SnO_2含量增加而增加。這是因為SnO的部分空穴載流子被SnO_2的施主缺陷所補償,導致空穴濃度下降。當SnO_2的施主缺陷近乎完全補償?shù)鬝nO的空穴時,薄膜呈現(xiàn)高阻態(tài),而當SnO_2的施主缺陷濃度超過SnO的空穴濃度時,薄膜呈現(xiàn)n-type傳導特性。由于金屬Sn和Sn4+相關的結構缺陷對空穴具有較強的散射作用,因此Sn-SnO混合相薄膜、SnO-SnO_2混合相薄膜的空穴霍爾遷移率較單相SnO薄膜低。射頻功率40 W沉積的單相SnO薄膜具有較高的空穴遷移率5.6 cm2V-1s-1,空穴載流子濃度為8.9×1017-6.0×1018 cm-3。3)高工作氣壓沉積的SnO薄膜含有較多SnO_2,導致薄膜的光學帶隙隨著工作氣壓增加而增大,折射率隨著工作氣壓增加而下降。正是由于SnO_2的形成,薄膜的空穴濃度和遷移率隨著工作氣壓增加而下降,而電阻率隨著工作氣壓增加而增大。4)原位施加襯底偏壓會向SnO薄膜引入過多的氧,導致部分SnO被氧化成SnO_2,且其含量隨著偏壓功率增大而增加。因此,薄膜的光學帶隙隨著偏壓功率增加而增大,折射率隨著偏壓功率增加而減小。此外,薄膜的空穴濃度和空穴遷移率隨著偏壓功率增加而下降,而電阻率隨著偏壓功率增加而增大。5)原位施加襯底溫度有利于調節(jié)薄膜的織構特性,制備出結晶質量較高的SnO薄膜。但原位襯底加溫制備的SnO薄膜的空穴濃度較高(1020 cm-3),不適合用作TFT溝道層。2、單極p-type SnO TFT1)直流濺射制備的SnO薄膜的霍爾遷移率比較低,因此對應的p-type SnO TFT的場效應遷移率比較低(0.37 cm2V-1s-1),并且器件難以關斷,電流開關比較低(~10)。因此直流濺射沉積的SnO薄膜不利于制備高性能TFT。2)低射頻濺射功率(20 W)制備的SnO TFT的場效應遷移率(0.51 cm2V-1s-1)和電流開關比(~10)均較低。高射頻濺射功率(60 W)制備的SnO TFT具有較高的場效應遷移率(1.8 cm2V-1s-1)。然而,由于SnO溝道層本征空穴濃度過高,器件的電流開關比較低(~60)。射頻40 W制備的SnO TFT具有最佳的場效應遷移率和電流開關比,分別為2.24 cm2V-1s-1和2.4×103。此外,由于Sn-SnO、SnO-SnO_2混合相薄膜具有大量的結構缺陷,因此以混合相薄膜作為溝道層的TFT的電流開關比和場效應遷移率較低,而單相SnO TFT具有較高的場效應遷移率和電流開關比。3)溝道層厚度較薄的SnO TFT具有較高的場效應遷移率和電流開關比。然而,溝道層厚度過薄時,薄膜因嚴重偏離SnO化學計量比而呈現(xiàn)高阻態(tài),因此p-type SnO TFT最優(yōu)溝道層厚度為15-20 nm。4)延長SnO TFT的退火持續(xù)時間可降低溝道層的空穴濃度,提高器件的電流開關比。然而,長時間退火將導致柵介質-半導體界面質量退化,增強空穴載流子散射,導致器件的場效應遷移率下降。退火時間過短,SnO溝道層結晶質量較差,原子空位、間隙等結構缺陷較多,器件的場效應遷移率和電流開關比均較低。SnO TFT的最優(yōu)退火時間為2小時,器件的場效應遷移和電流開關比分別可達2.44 cm2V-1s-1和6.0×103。5)通過改變源漏金屬電極功函數(shù)和源漏電極與SnO之間插入超薄介質層均難以調節(jié)p-type SnO TFT的開啟電壓,表明SnO體或表面可能存在費米能級釘扎現(xiàn)象,導致金屬-SnO層之間的勢壘高度不依賴于源漏金屬功函數(shù)。3、雙極性SnO TFT1)器件的雙極性工作模式可通過SnO TFT背溝道表面的介質層(比如Al_2O_3)鈍化技術來實現(xiàn),且制程工藝對SnO TFT的雙極性輸運有極其重要的影響:(i)未經(jīng)鈍化而進行退火處理的TFT(AWP)呈現(xiàn)單極p-channel輸運;(ii)TFT經(jīng)退火處理后采用介質層鈍化(ABP)呈現(xiàn)較弱的n-channel反型行為;(iii)TFT經(jīng)介質層鈍化后進行退火處理(AAP)展現(xiàn)出優(yōu)異的雙極性工作性能。單相SnO TFT具有最佳的雙極性輸運性能,而Sn-SnO、SnO-SnO_2混合相溝道層TFT的雙極性工作的對稱性較差。最佳的雙極性SnO TFT的n-和p-channel的場效應遷移率分別為1.64 cm2V-1s-1和0.65 cm2V-1s-1,n-和p-channel的電流開關比分別為1700和560,開啟電壓為8.5 V。2)根據(jù)能帶圖分析和器件模擬結果,AAP器件優(yōu)異的雙極性輸運特性源于其合適的表面鈍化修飾工藝對SnO表面缺陷態(tài)形成的有效抑制,而非鈍化層對外界環(huán)境氧或水蒸汽等氣氛的屏蔽作用。Au-Al_2O_3-SnO的電容-電壓測試分析表明-SnO的界面正電荷能輔助耗盡溝道層空穴載流子,從而更加利于器件的n-channel反型和雙極性工作。綜上,SnO TFT背溝道表面的Al_2O_3鈍化層具有三種功能:(i)鈍化層能屏蔽外界環(huán)境氣氛與SnO溝道層之間產(chǎn)生的電荷交換或化學反應,提高器件的穩(wěn)定性;(ii)鈍化層能有效的抑制SnO表面缺陷態(tài)的形成,降低SnO帶隙中的次能隙DOS,使得費米能級能較自由的由價帶邊移向導帶邊,實現(xiàn)n-channel反型和雙極性工作;(iii)Al_2O_3-SnO界面的正電荷能輔助耗盡溝道層的空穴載流子,降低TFT的開啟電壓,進一步增強反型n-channel和雙極性工作性能。此外,AAP薄膜較AWP、ABP薄膜具有更低的空穴濃度,有利于溝道層載流子的耗盡和TFT的n-channel反型以及雙極性工作。3)對于雙極性SnO TFT,較低功函數(shù)源漏接觸(Ni-SnO接觸)利于電子注入,較高功函數(shù)源漏接觸(Ti-SnO)利于空穴注入。金屬Mg具有較低的功函數(shù),但因其易被氧化而在Mg-SnO界面形成較高的勢壘層使得載流子注入效率下降。在Al_2O_3、Ta_2O_5、Si O_2、Hf O_2等鈍化層材料之中,以Al_2O_3作為鈍化層的器件具有最佳的雙極性輸運性能,而以Ta_2O_5、Si O_2、Hf O_2作為鈍化層的器件的開啟電壓均較高,n-和p-channel的場效應遷移率和電流開關比均較低。4)雙極性SnO TFT在負柵極偏壓應力下具有良好的電學穩(wěn)定性,而器件的轉移曲線在正柵極偏壓應力下展示出正向、平行的移動趨勢,且轉移曲線形狀保持不變。SnO TFT在正柵極偏壓應力下的性能漂移源于SnO溝道層、SnO-Si O_2(柵介質層)界面的多種陷阱對電子的捕獲過程。在不同的正柵極偏壓幅值和溫度下,SnO TFT的開啟電壓變化量隨應力時間的變化關系均符合擴展指數(shù)模型。通過擴展指數(shù)模型擬合提取的馳豫時間和平均熱激活能分別為1.6×104 s和0.43 eV。4、類互補型邏輯反相器1)基于雙極性SnO TFT研究,本論文構筑了雙極性邏輯反相器。由于SnO TFT具有平衡的電子和空穴注入特性,雙極性SnO反相器展示出高電壓增益(100)兼寬噪聲容限(15.3 V)。反相器的輸出信號可與較低頻率(3.8 Hz)的輸入信號波形保持同步,但難以快速的反饋于較高頻率(16.6 Hz)的輸入信號,這源于雙極性SnO TFT較低的場效應遷移率。由于低氧分壓沉積的溝道層為Sn-SnO混合相,TFT雙極性工作的對稱性較差,導致反相器的電壓增益、轉變閾值電壓、噪聲容限以及電壓轉變寬度等特征參數(shù)隨著氧分壓下降而逐漸退化。2)雙極性SnO反相器在空氣環(huán)境下展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。器件在空氣環(huán)境下暴露10個月后,其電壓增益、轉變閾值電壓、噪聲容限以及電壓轉變寬度等特征參數(shù)依然保持穩(wěn)定。這表明TFT背溝道表面的鈍化層能有效的屏蔽外界環(huán)境氣氛與SnO溝道層之間產(chǎn)生的電荷交換或化學反應,進一步增強雙極性SnO TFT和反相器在空氣環(huán)境下的穩(wěn)定性。
[Abstract]:On the basis of the research of thin films , the structure of SnO _ 2 thin films has been studied . The results are as follows : 1 . SnO _ 2 thin films have higher transmittance , high carrier mobility , excellent mechanical properties and low cost . SnO _ 2 - doped SnO _ 2 mixed phase thin film ( p - type transport zone ) has a higher hole mobility than that of SnO _ 2 . The effect mobility ( 0.51 cm2V - 1s - 1 ) and the current - switching ratio ( ~ 10 ) of SnO TFT prepared by direct current sputtering are lower than those prepared by low - frequency sputtering power ( 20 W ) . SnO TFT prepared by high - frequency sputtering power ( 60 W ) has higher field effect mobility ( 1.8 cm2V - 1s - 1 ) . The results show that the thin film of SnO TFT has high field effect mobility and current switching ratio . On the basis of energy band diagram analysis and device simulation results , the excellent bipolar transport characteristics of the device have three functions : ( i ) the passivation layer can shield the hole carriers of the channel layer and lower the opening voltage of the TFT . Based on the bipolar SnO TFT research , the complementary logic inverter ( 1 ) has constructed a bipolar logic inverter . Since the SnO TFT has balanced electron and hole injection characteristics , the bipolar SnO inverter exhibits a high voltage gain ( 100 ) and a wide noise margin ( 15.3 V ) . The output signal of the inverter can be kept in synchronization with the input signal waveform at lower frequency ( 3.8 Hz ) , but it is difficult to quickly feed back the input signal at higher frequency ( 16.6 Hz ) .

【學位授予單位】：中國科學院寧波材料技術與工程研究所
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN321.5

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