高性能氧化物薄膜晶体管的制备与研究

来源 :西安电子科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:huanghong198122
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近年来,由于金属氧化物半导体薄膜晶体管具有制备温度低、稳定性好、兼容柔性衬底、迁移率高和成本低等优势,其显示出巨大的应用前景并得到了广泛的研究。金属氧化物薄膜一般利用磁控溅射、脉冲激光沉积等真空技术制备,但随着对高性价比和大面积电子产品需求的快速增长,薄膜晶体管需要在低成本下进行器件集成。溶液法因其简单、经济、均匀性好和可在大气下制备等优点成为非常具有竞争力的选择,因此其适合制备大面积柔性电子产品,比如柔性显示屏、智能可穿戴设备等。本论文围绕溶液法制备的n型氧化物薄膜晶体管开展研究,主要内容和结果集中在以下两个方面:(1)使用水溶液法在450°C的退火温度条件下制备了不同In含量的IGO薄膜晶体管。并对IGO薄膜进行AFM、XRD、PL、XPS等表征,结果表明不同组分的薄膜均呈非晶状态,团簇较少,表面均匀且光滑,均方根粗糙度在纳米级,这有利于获得具有高均匀性的氧化物薄膜。In含量的升高会使金属氧化物晶格中的氧空位和深能级陷阱态增加,并能减小薄膜的禁带宽度,在In与Ga的摩尔比为1:1时,其Eg为4.25 eV。除此之外,In含量的增加会使金属氧化物晶格中的M-O键增多,这有利于其导电性的增强。在IGO上热蒸发Al即完成了制备底栅顶接触器件的流程,电学性能分析表明,IGO薄膜晶体管具有n沟道场效应晶体管特性,且随着In含量的升高,器件的饱和载流子迁移率和开关电流比会增加,沟道中的缺陷密度也会减少,器件的饱和源漏电流从n A级增加至mA级。在In与Ga的摩尔比为1:1时,IGO薄膜晶体管的μsat为3.63 cm2V-1s-1,Vth为2.5 V,Ion/Ioff为106,表现出良好的场效应特性。以上结果表明,在低温退火条件下,In掺杂能够显著提升溶液法制备的Ga2O3薄膜晶体管的性能。(2)使用水溶液法在低温退火条件下制备了AlGaO薄膜。研究发现,不同组分的薄膜均为非晶态,表面十分光滑,光滑的表面可使栅绝缘层和沟道层之间形成良好的界面接触。AlGaO在波长为380~780 nm的入射光区间里透过率高于98%,Al含量的增多会使其Eg变大。薄膜的泄漏电流较低,结合AlGaO薄膜良好的表面形貌,其作为绝缘层可以减少沟道层的缺陷浓度和器件的静态功耗。薄膜的电容值在低频工作时较高,在高频工作时会下降,这表明溶液法制备的AlGaO薄膜中存在较多的缺陷。在Al与Ga的摩尔比为1:1的薄膜上沉积IZO前驱体溶液,300°C退火后热蒸发电极,即完成了底栅顶接触器件的生产流程,器件具备n沟道场效应晶体管特性,其μsat为7.7 cm2V-1s-1,Vth为0.2 V,Ion/Ioff为2.7×104。以上结果表明,AlGaO作为栅绝缘层时栅极电压能够有效地控制沟道层的导电性并调制源漏电流,以此实现薄膜晶体管开关状态的切换。
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