氧化物薄膜及纳米纤维场效应晶体管的制备与性能研究

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显示技术的发展对薄膜晶体管(TFTs)提出了更高的要求。要求高性能的同时要求高透光率且可与柔性衬底集成。金属氧化物TFT具有优于非晶硅及有机薄膜晶体管的性能,且其可见光透过率高,获得了广泛研究。目前大部分氧化物TFT都采用真空沉积技术制备,如磁控溅射、脉冲激光沉积等,设备依赖性强、成本高。为降低成本,氧化物TFT溶液法制备也得到了发展,但均需要高温退火。为了能与柔性衬底兼容,溶液法制备氧化物TFT的低温工艺亟待研究与开发。本论文围绕氧化物薄膜及纳米纤维的溶液法制备及柔性ZnO-TFT的集成进行了系统研究。本文利用锌氨络离子溶液在较低温度(<100。C)退火下即可转变为ZnO的特点,制备了单层非晶ZnO薄膜,厚度约为7nm,可见光透过率达-90%。在此基础上,采用Si02作栅介质在p+Si衬底上集成得ZnO-TFT,200℃退火工艺下所得器件场效应迁移率达0.428cm2/V·s,开启电流达28μ,亚阂值摆幅2.62V/dec,开关比大于104,为n型增强型。TFT的稳定性是实际应用的最大难题之一。器件不稳定会造成阈值电压漂移、驱动电流减小等,需要更复杂的电路来稳定像素性能。研究表明无钝化的底栅结构氧化物TFT会由于沟道背表面/环境气氛的相互作用而造成器件的操作不稳定。本文中我们采用光刻胶保留的方法使沟道上部光刻胶做直接钝化层,大大提高了器件的稳定性。本文亦研究了不同退火气氛及退火温度对器件性能及稳定性的影响。栅介质对器件性能有重要影响,目前ZnO-TFT的工作电压一般在几十伏特。为减小操作电压、降低功耗,需采用超薄栅介质或者介电常数高(high-k)的栅介质来增大电容。本文研究了原子层淀积技术制备high-k材料氧化铝的性能。200。C所得氧化铝薄膜绝缘性能良好,介电常数达8.4。采用氧化铝做栅介质的器件相比Si02做栅介质的器件阈值电压减小,开关比增加。柔性显示具有轻薄便携可弯曲的特性,且与卷对卷(roll-to-roll)工艺结合可大大降低生产成本。本文采用聚酰亚胺(PI)做衬底进行了其上ZnO-TFT的集成并研究了新型退火技术-微波退火对器件性能的影响。所得RTP退火器件表现出较好的栅压调控能力及饱和特性。微波退火有利于器件性能的提高,载流子迁移率及开关比增大、亚阈值摆幅减小,所得器件亚阈值摆幅S为1.82V/dec,饱和迁移率为3.4×10-4cm2/V·s,阈值电压VT为6.92V,开关比为4.8×103。氧化物纳米结构由于其特有的压电、气敏等性质使得其在压电发电机、气体传感器、压电场效应晶体管等应用方面具有很大潜力。本文在氧化物薄膜的研究基础上,将溶液法与静电纺丝技术结合进行了ZnO及锆钛酸铅(PZT)纳米纤维的制备及性能研究。
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