论文部分内容阅读
薄膜晶体管(TFT)在平板显示、图形成像、阵列传感等领域有广泛的应用。第一代TFT以氢化非晶硅(α-Si:H)作为有源层材料,但其发展却囿于α-Si:H低的迁移率和电学不稳定性;高温多晶硅的出现在一定程度上提升了 TFT性能,但制备需要的高温又限制了它的应用范围;有机薄膜晶体管(OTFT)可低温制备,而且制备成本低、工艺简单,但OTFT的迁移率提升困难,有机物本身性质也不够稳定。近年来以ZnO为代表的金属氧化物因其高的迁移率、对可见光透明、可低温制备、稳定性高等优势,被认为是最有可能取代Si基TFT的半导体材料,并且在柔性器件和可穿戴电子领域具有广阔的应用前景。热氧化硅晶圆即Si02/Si基片是实验室研究TFT常用的基底,然而由于受到工艺水平的限制,低漏电流、高绝缘性的Si02/Si仍然依赖进口,价格较贵,阻碍了 TFT中新型有源层材料的实验室研究。本论文首先对不同长宽比的ZnO TFT器件进行了模拟仿真,得到了晶体管性能,并在此基础上对ZnO TFT进行了实验;之后研究了不同条件下溅射沉积的ZnO TFT性能,获得了具有优异的载流子输运特性的ZnO薄膜沉积工艺;在此基础上利用在Si片上原子层沉积(ALD)高K介质A1203作为绝缘层,验证了 ALD生长的A1203,相对于Si02介质制备的TFT具有显著的性能提升;最后还研究了双有源层ZnO/MgZnO的二维电子气模型的TFT,相比于ZnO TFT阈值电压降低了 30%,开关比增大了一个数量级,尝试并制备了 Gd掺ZnO有源层的TFT,分析了其性能退化的原因。(1)利用TCAD软件对ZnO TFT器件进行模拟,研究了不同器件长宽比对器件性能的影响;在此基础上采用激光直写技术制备了不同长宽比的TFT器件,测试结果与仿真规律一致。(2)采用ALD方法,以三甲基铝(C3H9A1)和水(H20)为源,以在Si片上沉积一层100 nm的A1203的基片与100 nm厚Si02/Si基片为衬底,分别制备了 ZnO TFT。测试结果表明以高K介质A1203为绝缘层的ZnO TFT迁移率相比以Si02为绝缘层的ZnO TFT提高了 22倍,亚阈值摆幅降低了 6倍,开关比达到了 104,提高了 一个数量级。(3)采用磁控溅射方法,以金属Zn为靶材,以A1203/SiO2为双介质层,在3组不同的溅射工艺条件下制备了基于ZnO薄膜的TFT,对比了 TFT器件的性能,找到了在本实验室条件下最佳的制备工艺:溅射过程中O2和Ar的比例为1:5,压强为0.3 Pa,温度为300℃,溅射功率为100 W,溅射时间为30 min。(4)采用磁控溅射法,以MgZnO靶和ZnO靶制备了 ZnO/MgZnO双有源层的TFT,与ZnOTFT进行了对比,分析了产生性能变化的原因;以Zn靶制备了 ZnO掺Gd的TFT,分析了性能下降的原因。