铟锡锌氧薄膜晶体管的制备与性能研究

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金属氧化物半导体被认为是最有潜力的薄膜晶体管(TFT)有源层材料,它可满足大尺寸、高分辨率、柔性、透明的新型显示屏对TFT性能的需求。传统的铟镓锌氧薄膜晶体管仍然存在电学性能低的缺点,而铟锡锌氧(ITZO)TFT凭借其高迁移率、低亚阈值摆幅等优点成为当下研究热点,但它也同时存在稳定性差的问题,如何兼顾高电学性能和良好的稳定性能是当前一大难点。针对以上特点,本文通过研究磁控溅射法制备ITZO有源层的工艺、器件后退火过程的条件以及钝化层材料,成功制备出具备优良电学性能和稳定性能的ITZO TFT。具体内容如下:(1)针对铟镓锌氧薄膜晶体管电学性能差的问题,利用ITO和Zn O共溅射有源层ITZO的方法,制备出高电学性能的ITZO TFT,并研究了不同工艺参数对ITZO TFT的转移特性影响。结果表明,当ITO溅射功率为100W、Ar/O2=10sccm/6sccm、溅射压强为0.5Pa、有源层厚度约41nm时,电学性能最好。在最优的条件下,ITO溅射功率能调控ITZO薄膜中的(In+Sn)/(In+Sn+Zn)比重,Ar/O2能有效补偿VO又不会产生过剩氧,溅射压强能保证ITZO薄膜具备高致密性、低结构缺陷的优点,有源层厚度可以控制合理的载流子浓度和缺陷态密度。最终制备出迁移率为26.93cm2/V·s,阈值电压为-0.19V,亚阈值摆幅为0.071V/dec,开关电流比为2.07×108的ITZO TFT。(2)针对ITZO TFT稳定性能差的问题,通过调节后退火条件,研究了退火时温度和氛围对ITZO TFT的转移特性和正栅偏压稳定性(PBS)影响。结果表明,在空气中以350℃退火的器件电学性能最好,然而对PBS性能提升的效果并不显著。由于退火时空气中的水氧分子能充分渗透进有源层内,降低有源层中的体缺陷态密度和有源层/绝缘层界面态密度,然而缺陷态密度的降低对PBS影响有限。(3)进一步,针对ITZO TFT稳定性能差的问题,通过脉冲激光沉积法在器件背沟道表面制备一层钝化层,研究了Al2O3、Sc2O3、Ti O2三种钝化层材料对ITZO TFT稳定性改善作用。结果表明,本文提出的以Sc2O3作为钝化层材料的ITZO TFT显示出良好的稳定性能。这是因为Sc2O3钝化层的ITZO TFT存在最低的沟道缺陷态密度和最好的隔绝特性,能有效抑制外界水氧分子对背沟道的侵蚀。
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