全溅射法制备室温柔性MOTFT的研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lk_wuyong
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柔性薄膜晶体管(TFT)是大多数柔性电子器件的核心部件之一,而柔性氧化物薄膜晶体管(MOTFT)以迁移率高、透明度好、柔韧性佳、稳定性好等优势,研究最为广泛。本论文主要对柔性MOTFT的室温制备工艺进行研究,采用全溅射的方法,通过设计新型器件结构、优化溅射技术和选用新材料等方案,最终实现高性能、高稳定性和易弯曲的柔性MOTFT器件,以满足柔性电子器件的应用需求。本文首先研究了不同的高介电常数氧化物绝缘材料(HfO2、Al2O3)的低温或室温制备工艺。其中,200℃退火的HfO2绝缘层的介电常数可以达到28.5,且具有良好的绝缘性能。而室温制备的Al2O3绝缘层即表现出了优异的薄膜性能和绝缘特性,介电常数达到8.6,且具备良好的热稳定性和机械性能,可以保证柔性MOTFT器件的正常工作。本文还设计了一系列室温叠型氧化物有源层结构。叠型有源层结构主要是利用场效应引导半导体中的载流子发生准二维电子传输,通过在源漏电极与半导体层之间插入一层超薄Al2O3层可以降低载流子被背沟道表面的缺陷散射或捕获的几率,提高器件开态电流;同时利用隧穿效应减小了沟道漏电流的生成,也降低了器件关态电流,从而整体地提升了器件的迁移率和开关比。此外,本文提出了一种利用电压波形调制的脉冲直流溅射技术改善半导体薄膜成分和电学特性,从而提升室温MOTFT器件性能的新方法。调控溅射波形的频率(周期)和占空比,控制循环中的溅射时长以及循环的次数,能够一定程度上缩小各元素之间沉积速率的差距,并增大金属离子与氧结合形成M-O-M键的几率,优化相应的室温MOTFT器件。最终,基于上述研究成果,在PI衬底上制备的基于低温HfO2绝缘层的柔性a-IGZO TFT的迁移率可以达到10.3 cm2 V-1 s-1,开关比达到4.3×107,SS值为0.28 V dec-1,Vth为1.1 V;而PI衬底上基于室温Al2O3绝缘层的柔性a-IGZO TFT的迁移率则高达了20.9cm2 V-1 s-1,开关比达到2.3×107,SS值为0.32 V dec-1,Von为-0.1 V;此外,在PEN衬底上基于室温Al2O3绝缘层全溅射制备的柔性a-IGZO TFT的迁移率可以达到18.3 cm2V-1 s-1,开关比可以达到107,SS值为0.33 V dec-1,Von为1.3 V。上述器件电学偏压和弯曲应力下均表现出了良好的稳定性,充分展现了其在柔性电子应用中的巨大前景。
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