印刷(溶液加工)氧化物薄膜晶体管的稳定性研究

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氧化物薄膜晶体管(TFT)由于比非晶硅TFT迁移率高、比低温多晶硅TFT均匀性好、制备温度低、可见光透过性好以及适用于透明电子设备等优势,近年来被广泛关注。与真空沉积法的成本昂贵和工艺复杂相比,溶液加工制备TFT具有成本低、材料利用率高、成分易于调控、工艺简单以及可大面积制备的优点被广泛研究。然而,溶液加工制备氧化物TFT过程中,由于薄膜在退火过程中的溶剂挥发,容易导致孔隙产生、致密性下降,且易受制备环境温度、湿度的影响,降低了薄膜的化学稳定性和器件的光电热稳定性。针对上述问题,本文研究了印刷(溶液加工)氧化物TFT的材料成分、工艺和器件结构等方面对TFT稳定性的影响。主要研究内容及结果如下:(1)喷墨印刷顶栅结构的氧化物TFT及其有源层化学稳定性的研究。通过喷墨印刷制备了以In Ga Sn O(IGTO)为有源层的顶栅氧化物TFT阵列。实验发现In Ga O有源层中掺入Sn元素可以提高有源层的抗刻蚀性能,在后续的栅介质层前驱体溶液中刻蚀速率从10 nm/min降至3 nm/min,从而可以有效减小后续印刷栅介质层对有源层的刻蚀损伤。通过调整喷墨印刷温度、前驱体材料成分和溶剂成分制备得到In Ga Sn O TFT,迁移率为3.02 cm~2V-1s-1,阈值电压为-0.51 V,电流开关比为1.59×10~7,在PBS和NBS稳定性测试中开启电压分别正漂0.1 V和负漂0.9 V,表现出较好的稳定性。(2)喷墨印刷底栅结构的双有源层结构氧化物TFT及其光稳定性的研究。利用喷墨印刷制备了In Tb O/In Ga O双有源层结构的氧化物TFT。探究了喷墨印刷底栅结构中电极顶接触和底接触对器件电学性能的影响,发现顶接触更有利于实现电极和有源层之间的欧姆接触且无明显迟滞,底接触有更大的开态电流。结合顶接触和底接触结构的优点,以及In Ga O载流子浓度高、In Tb O光稳定性好的优点,制备了In Tb O/In Ga O双有源层结构氧化物TFT器件。双有源层结构器件在有良好欧姆接触及无迟滞的情况下同时获得了较大的开态电流,迁移率为1.02 cm~2V-1s-1,开关比达到8.90×10~5;同时探究了喷墨印刷制备的双有源层结构器件的光稳定性,在NBIS稳定性测试下器件负漂3.6 V,光稳定性得到明显的改善。(3)溶液加工稀土掺杂钝化层及其对氧化物TFT光稳定性的影响。实验制备了Tb掺杂的氧化铝钝化层(Tb含量为0%、10%、30%、50%和100%),探究其对氧化物TFT器件光稳定性的影响。实验发现随着钝化层中的Tb含量升高,氧化物TFT在NBIS稳定性测试下开启电压实现从负漂到正漂的变化,在一定的掺杂量时开启电压漂移值甚至可为0 V。在绝缘性能良好、透过率高的Al Ox钝化层材料中进行稀土掺杂Tb可以增大对可见光的吸收,利用CT跃迁减少光照对有源层的影响,改善氧化物TFT的光稳定性;Tb掺杂量过高时,会因为背沟道掺杂而使载流子浓度降低且产生较多缺陷态捕获电子,导致器件迁移率下降且NBIS稳定性测试下的开启电压正漂。稀土掺杂钝化层对氧化物TFT光稳定性的影响具有一致性和普适性。本文围绕印刷(溶液加工)氧化物TFT,研究薄膜化学稳定性和器件光稳定性,为今后溶液加工氧化物TFT的应用提供可行的参考方案。
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