铟镓氧化锌薄膜晶体管的制备和性能研究

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薄膜晶体管(TFT)是一种以沉积形成的半导体、金属和绝缘体薄膜组成的场效应器件。它是有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)和薄膜晶体管液晶显示器(TFTLCD)的驱动电路的核心部件。然而,传统非晶硅的载流子迁移率较低,较难提供足够大的电流以驱动OLED发光;而多晶硅TFT由于存在晶界,晶粒形状、大小不等,造成器件均匀性较差,而且其制备成本高,这些问题都限制了其在OLED中的应用;有机TFT制备简单,但在载流子迁移率、稳定性方面都需要改进,应用于OLED需要作更多的研究。近年来,氧化物TFT异军突起,对它的研究取得了很大的进展,它在载流子迁移率、均匀性、稳定性等方面都具有优势,是未来驱动OLED最有力竞争者之一。因此,开展对新兴的、在AMOLED上较有应用前景的氧化物TFT的研究工作具有重要意义。本论文采用磁控溅射方式制备In-Ga-Zn-O (IGZO)薄膜,同时结合掩模制备了薄膜晶体管器件,从有源层制备条件、器件结构方面对薄膜晶体管性能进行了优化。(1)制备了基于SiO2为绝缘层的IGZO-TFT,研究了IGZO薄膜的制备条件对器件性能的影响。固定氧分压为7.4%、16.7%、37.4%时制备了IGZO-TFT,在氧分压为7.4%时,相同栅极偏压下的转移特性最佳,具有较高的开态电流以及-3V的开启电压;IGZO薄膜厚度由20nm增至50nm时,IGZO-TFT的关态电流逐渐增加,器件的电流开关比急剧下降,使器件无法正常关断;IGZO-TFT制备完成后的退火处理可以有效提高器件性能,但在较低温度范围内,退火温度的大小对器件性能的影响不大;IGZO-TFT的性能随着靶材被溅射时间的增加而发生周期性变化,XPS分析结果表明导致IGZO-TFT性能变化的原因是IGZO薄膜中In、Ga、Zn的含量随靶材被溅射时间的增加而发生周期性变化。(2)改善SiO2薄膜与IGZO的界面特性,提高IGZO-TFT的器件性能,本文尝试在SiO2表面修饰非极性的OTS分子。经OTS修饰后,SiO2/IGZO薄膜界面处缺陷态减少。器件性能的测试结果表明:SiO2表面OTS修饰后,其IGZO-TFT的迁移率、电流开关比都有一定提高,而阈值电压有所下降;在器件上施以栅极偏压30V,持续时间600s后,其阈值电压变化量由未修饰的8.3V降低为3.5V,说明SiO2表面经OTS修饰后,器件的整体性能得到提高。(3)对IGZO-TFT进行热退火时,不同的热退火次序对IGZO-TFT的电学特性进行优化。实验发现:溅射IGZO薄膜之后,再在空气中300oC,持续时间30min退火,随后再制备Ni源漏电极而得到的IGZO-TFT表现出2.8 cm2V-1s-1的场效应迁移率、106的电流开关比和约10V的阈值电压;而IGZO-TFT制备完成后再在空气中300℃热退火30min后,所得到的场效应迁移率、电流开关比和阈值电压分别为0.3 cm2V-1s-1,104,30V。
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