溶液法制备IZTO薄膜晶体管阵列及稳定性研究

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在氧化物薄膜晶体管(TFT)的各种制备工艺中,溶液法因成本低、工艺简单将成为制备金属氧化物TFT的一种具有潜力的方法。然而由于溶液法制备的金属氧化物存在较多的氧相关缺陷态,使得金属氧化物TFT普遍存在偏压稳定性差的问题,特别是光照负偏压稳定性,阻碍其实际应用,且研究的溶液法金属氧化物TFT多为单个器件,而用于显示驱动的TFT均为像素阵列,这与单个器件性能有着显著的差异。为了满足显示驱动的需求,迫切需要研究溶液法像素级TFT阵列的偏压和光照偏压稳定性。基于此,本文采用溶液法制备了刻蚀阻挡层结构(ESL)和背沟道刻蚀结构(BCE)的铟锌锡氧化物(IZTO)TFT阵列,研究了钝化层对两种结构的IZTO TFT阵列性能及偏压和光照偏压稳定性的影响。本论文工作如下:(1)制备了ESL结构的IZTO TFT阵列并研究了其偏压稳定性。对比了原子层沉积(ALD)的Al2O3和溶液法制备的铪铝氧化物(HAO)作为栅绝缘层的IZTO TFT器件性能,结果表明Al2O3-IZTO TFT和HAO-IZTO TFT迁移率分别为2.5 cm~2·V-1·s-1和2.1 cm~2·V-1·s-1,两者性能相当,证实了溶液法制备HAO薄膜作为TFT的栅绝缘层具有可行性。通过优化IZTO薄膜退火温度,TFT的迁移率从2.1 cm~2·V-1·s-1提升至17.7 cm~2·V-1·s-1;进一步优化IZTO薄膜的厚度,迁移率提升至33.56 cm~2·V-1·s-1,同时器件表现出良好的正偏压(PBS)和负偏压光照(NBIS)的稳定性。最后研究Si O2和Si Nx分别作为钝化层对HAO-IZTO TFT偏压和光照偏压稳定性的影响,发现Si Nx钝化层的HAO-IZTO TFT的稳定性最好,其PBS和NBIS的阈值电压偏移分别为0.17 V和-0.14 V,这归因于Si Nx沉积过程中会产生相关H扩散,适量的H钝化了界面处的缺陷态,减少氧空位(VO),从而改善了HAO-IZTO TFT的偏压和光照偏压稳定性。(2)制备了BCE结构的IZTO TFT阵列并研究了其偏压稳定性。制备的IZTO TFT阵列由于背沟道暴露在空气中吸附水氧的原因其PBS和NBIS的阈值电压偏移分别为0.76 V和-0.77 V。采用Si O2钝化后,器件PBS和NBIS的阈值电压偏移分别降低到0.2 V和-0.3 V。表明钝化层能够防止了IZTO薄膜表面的水氧吸附,提升器件稳定性。同时采用N2O和NH3等离子体处理钝化IZTO表面缺陷态,对比了这两种气体等离子处理之后对IZTO TFT的性能及偏压和光照偏压稳定性的影响。结果表明,经过N2O等离子体表面处理提升了IZTO TFT性能,特别是光照负偏压稳定性,器件饱和迁移率从25.12cm~2·V-1·s-1提升到51.52 cm~2·V-1·s-1,光照负偏压稳定性从-0.3 V提升到-0.1 V,满足显示驱动的要求。而且经过N2O等离子体表面处理,像素阵列中器件整体的性能均匀性和稳定性得到提升。这进一步说明经N2O等离子体处理后能够得到良好的溶液法像素级IZTO TFT阵列。
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