ZnO TFT的制程与后端退火条件对器件性能的影响实验比较研究

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自2003年关于氧化锌薄膜晶体管的一系列研究成果被报道之后,近十年以来,世界各地研究人员对氧化锌薄膜晶体管的研究热情依旧不减。关于氧化锌薄膜晶体管器件特性改善的研究,主要有两个方向,一个是工艺条件的优化,一个是对工艺参数影响机制和晶体管中电荷传输机制与模型的理论研究。本文针对设计窗口比较宽的后端退火工艺,从实验的角度出发,对退火条件的影响及其作用机制进行了系统的研究;先后采用真空和氮气环境低温退火(最高300℃),对氧化锌薄膜晶体管的电学性能进行了良好改善。具体研究内容如下:  1、制备了不同结构类型和不同沟道宽长值的ZnO TFT,并利用真空退火工艺,改善了ZnO TFT的电学特性。对比得到底栅顶接触器件的性能要明显优于底栅底接触结构的器件性能,并分析了不同沟道宽长值(同宽度不同长度、同长度不同宽度和相同宽长比)的器件性能的差异。  2、通过改变真空退火温度(250℃和300℃)以及退火时间(10 min、15 min和17 min)参量,得到真空提高器件性能的最佳真空退火工艺——300℃条件下退火15 min。针对退火改善器件电学性能的作用机制,从两个角度出发进行了探索分析,一方面是利用XRD、AFM和SEM对退火前后氧化锌薄膜的结构和表面形貌进行了对比分析,另一方面采用XPS、AES和HAADF-EDX等方法对退火前后氧化锌薄膜中氧空位的变化进行了分析。最终得出的结论是退火对沟道层薄膜质量并没有特别明显的改善,相反对氧空位的数目变化影响要明显的多,因此将退火改善氧化锌薄膜晶体管特性的主要作用机制归因为了氧空位数目的变化。  3、对不同氩氧气体流量比的条件下制备的ZnO TFT进行了N2退火工艺处理,氩氧气体流量为50 sccm和30 sccm条件下得到的器件的性能优于氩氧气体流量为50 sccm和20 sccm的器件的性能,且300℃氮气中退火1h对器件性能的提高有明显的作用。  4、为了研究氮气退火改善器件特性的作用机制,也进一步验证退火改善氧ZnOTFT电学特性的作用机制,文章将N2退火处理的ZnO TFT重新放到空气中进行回火处理,即放入富氧气氛中热处理,之后采用同样的方法对N2退火的作用机制进行了研究,得出了氧缺陷同样起着关键的作用。
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