基于溶液法的高性能氧化物薄膜晶体管的制备与研究

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氧化物半导体薄膜晶体管具有高迁移率、良好的导电性和高光学透明性等优点,能够很好的满足大面积显示驱动电路的要求,在下一代平板显示器领域拥有巨大的发展潜力,很有希望作为下一代电子器件的基础。而且,氧化物薄膜晶体管制备成本低,易实现大面积生产,制备温度低,与柔性衬底兼容性好,为便携式柔性平板显示开辟了新途径。在诸多薄膜生长技术中,溶液法由于其制备工艺简单,生产成本低,可实现大面积生产,更适合在大面积柔性基底上低温加工,因此在大面积低成本柔性显示、可穿戴柔性电子等领域具有极大的应用前景。本论文采用传统的溶液法制备不同的高性能氧化物TFT,并对其性能进行若干研究。主要研究内容和研究结果如下:1.采用水溶液法和溶液自燃烧法在退火温度为180℃,210℃以及250℃条件下制备In2O3 TFT。对两种方法制备的In2O3薄膜进行AFM测试,发现In2O3薄膜表面粗糙度在纳米级别,呈现光滑、均匀的特点,有利于高性能器件的获得。随着退火温度的升高,器件的饱和迁移率不断增大。当退火温度为250℃时,水溶液法制备的In2O3TFT的饱和迁移率为1.5 cm2V-1s-1,阈值电压为6 V,开关电流比为5.5×103。溶液自燃烧法制备的In2O3 TFT的饱和迁移率为0.3 cm2V-1s-1,阈值电压为1 V,开关电流比为2.3×103。研究发现,低温条件下溶液自燃烧法制备的In2O3 TFT性能更稳定,而高温条件下水溶液法制备的In2O3 TFT的性能更优。2.采用水溶液法在退火温度300℃条件下制备基于In2O3和IZO的异质结薄膜晶体管。首先,制备了单层沟道层的In2O3 TFT和IZO TFT,形成对照组。研究发现,异质结结构能有效提高器件的电学性能。而且在几种异质结TFT中,In2O3/IZO异质结TFT的电学性能最优,其饱和迁移率为31 cm2V-1s-1,阈值电压为12 V,开关电流比为1.48×106。通过对薄膜表面形貌和高分辨XPS图谱进行分析,发现In2O3/IZO异质结薄膜的表面粗糙度最小以及界面态缺陷最少,进一步证明了In2O3/IZO异质结TFT性能最优的结论。在退火温度为250℃和300℃条件下制备In2O3/IZO异质结TFT,研究退火温度对器件性能的影响。对比发现,适当提高退火温度能有效减少薄膜中的缺陷从而提高In2O3/IZO异质结TFT的性能。3.采用水溶液法在低温条件下(300℃)制备得到ZnO TFT,并对其薄膜性能和电学性能进行分析。通过PCBA处理ZnO薄膜表面,器件的电学性能显著提升,这是因为界面修饰层有效降低了器件的界面态缺陷和接触电阻。而且,界面修饰层能有效钝化ZnO薄膜表面,提高器件的shelf-life稳定性和偏压应力稳定性。在相同制备条件下得到源漏电极为高功函数金属Ag的ZnO TFT,研究发现界面修饰层可以有效减小接触电阻和增强电子注入,优化源漏电极和ZnO沟道层之间的界面接触,进而提高TFT器件的性能。
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