高k氧化物薄膜晶体管的制备及性能研究

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薄膜晶体管因为其简单的结构、优异的性能,被广泛的应用于平板显示技术之中。氧化物半导体因为杰出的物理性能被视为平板显示中最具应用潜力的半导体材料。随着集成电路集成度的不断提高,薄膜晶体管的尺寸不断变小,寻找高介电常数材料替代传统二氧化硅介电材料,通过增加薄膜晶体管绝缘层介电常数取代减小绝缘层厚度的方式来增加绝缘层单位面积电容,可以达到抑制漏电流目的,又可以满足薄膜晶体管等比例缩小的要求,是增加集成电路集成度非常有效的方式。现在平板技术高的制造成本以及繁杂的制备工序仍然是待需解决的问题,开发出可低成本大面积生产高性能薄膜晶体管的制备技术仍然是现时之需,溶液制备技术(溶胶凝胶技术及喷墨打印技术)因为可低成本大面积生产高性能薄膜晶体管被视为可供未来选择的前景生产技术。本论文通过溶液方法制备了高介电常数氧化镱薄膜,详尽地研究了不同后续退火条件对氧化镱薄膜相关物理及电学参数的影响,并基于氧化镱介电薄膜制备了氧化铟薄膜晶体管,对其性能进行研究讨论。性能最为优异的氧化铟/氧化镱薄膜晶体管操作电压低至3 V,载流子饱和区场效应迁移率为4.98 cm2V-1s-1,开关比达到106,亚阈值摆幅低至70 mV/dec,动态响应测试时该薄膜晶体管表现出良好的动态开关特性。将此薄膜晶体管应用于反相器之中表现出良好的开关特性。反相器在4 V电源电压下,增益达到10.6,噪声容限达到1.05 V,表现出在多级电路中的应用可能性,对反相器的动态响应测试得到反相器表现出良好的动态反相倒置特性。本实验证明了溶液方法制备氧化镱薄膜和相关氧化物薄膜晶体管的可行性。此外,本论文还研究了溶液法制备氧化铪介电薄膜及无铟的锌锡氧(ZnSnO)半导体薄膜的新方法。通过利用氧化还原反应有效地去除了前躯体溶液中含有的氯离子,提高制备薄膜质量的同时降低了后续退火温度,以此方法制备的锌锡氧/氧化铪薄膜晶体管性能也得到了很大的提升,器件的饱和载流子场效应迁移率达到13.2cm2V-1s-1,亚阈值摆幅低至70 mV/dec,操作电压仅为2 V。最后将性能优异的锌锡氧/氧化铪TFT应用于电阻负载式反相器,测试锌锡氧/氧化铪TFT在实际电路中的表现性能,器件表现出优异的开关反应特性。反相器在2.5 V电源电压下,增益达到11,同时反相器也表现出良好的动态反相倒置特性。通过一系列的测试分析,证明了加入高氯酸的氧化还原方案,对于溶液法制备氧化物薄膜时,去除氯离子及降低退火温度的可行性和有效性。推测用其他氯盐制备高质量的氧化物半导体薄膜或介电层薄膜及相关器件时,该方法同样适用。
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