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摘要
近年来,科技水平的不断进步,带动着智能可穿戴电子器件行业蓬勃发展,电子显示器件逐渐受到人们的日益关注。薄膜晶体管作为电子显示屏幕中的核心部件,在屏幕弯曲、可穿戴、携带方便的显示器件中具有广泛应用。氧化物薄膜晶体管由于具有更好的稳定性和更高的迁移率,而且易于在室温下制备,使其在屏幕显示领域上的研究具有重要意义。在氧化物半导体薄膜晶体管中,被广泛研究的是铟镓锌氧（IGZO）薄膜晶体管。In和Ga在自然界中都属于稀有有毒元素,不利于大规模的商业化生产与制备,寻找新型无铟氧化物材料作为薄膜晶体管有源层的研究成为国内外研究的重点之一。研究发现,非晶氧化物薄膜材料（IGZO）具有较高的迁移率,主要原因是薄膜中的金属离子外层电子排布需满足（n-10）d10ns0（n≥4,其中n为主量子数）。同时,为获得稳定的器件性能,薄膜中需要有与氧结合能较高的金属离子,来抑制氧空位的形成。针对以上两点,在AZTO薄膜中,Sn也满足（n-1）d10ns0（n≥4）电子结构,在薄膜内也充当提供载流子浓度的作用,而Al3+和O2-结合能比Ga3+和O2-的结合能高,也可以实现调控载流子浓度的作用,所以理论分析上可以实现替换并制备出高性能的AZTO氧化物薄膜来替代IGZO薄膜。由于Al和Sn在大自然中存储量大且对人体没有危害,通过Sn元素代替In元素,Al元素代替Ga元素,来制备性能优异的薄膜晶体管,对未来可穿戴、便携显示器件的广泛应用具有重要意义。本文以金属Al靶、ZnO和SnO2陶瓷靶作为制备有源层AZTO的材料,利用磁控溅射共溅射的方法,制备新型无铟氧化物AZTO薄膜并研究其薄膜晶体管性能。通过对不同生长条件下制备的AZTO薄膜进行测试分析结果发现:在固定生长气压、生长温度,不同氧分压对AZTO薄膜的影响,氧分压对Al元素的调控具有显著的影响,随着氧分压的增加Al元素锐减,而Al在AZTO薄膜中具有抑制载流子浓度的作用,所以导致薄膜载流子浓度升高。当氧分压为5%时,AZTO薄膜拥有较好性能;EDX检测薄膜内的Al、Sn、Zn原子比近于2:1:1,薄膜霍尔迁移率为3.507cm2V-1s-1,薄膜载流子浓度为2.950E+18。基于此在5%氧分压环境下,分别研究了不同生长温度和生长压强对AZTO薄膜的影响。结果发现温度在80℃时,薄膜霍尔迁移率为2.146+01 cm2V-1s-1,薄膜载流子浓度为4.323E+17,薄膜的性能较好;在生长压强为8 mTorr时,AZTO薄膜生长质量较好,霍尔迁移率3.507 cm2V-1s-1和载流子浓度2.950E+18。最后我们采用lift-off工艺,制备反交叠型结构的AZTO薄膜晶体管。在氧分压为5%,生长压强为8 mTorr,衬底温度为80℃的环境下,利用磁控溅射共溅射金属Al靶、Zn O和SnO2陶瓷靶制备薄膜晶体管的有源层,分别制备了其厚度为20 nm、50 nm、80 nm、120 nm的AZTO薄膜晶体管,并对其电学性能进行了测试分析。结果发现:有源层厚度对器件性能的影响很大,当有源层厚度太薄时,载流子数量太少,迁移率过低;而当有源层厚度过厚时,一方面会增大载流子注入电阻,另一方面厚度过厚将会引起载流子数量过多,发生散射,结果都会使得迁移率有所下降。当薄膜晶体管有源层为50 nm时,薄膜晶体管的迁移率为2.17 cm2V-1s-1,阈值电压14V,开关电流比为1.84×104,器件综合性能相对较好。
- 出版日期2017
- 单位吉林建筑大学
