【摘 要】
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随着新型显示技术的不断发展,以大尺寸、高分辨率、高刷新率和柔性化为特点的高性能显示面板在商用和消费领域的需求愈发强劲。以上技术特征要求显示驱动器件的电极既要降低特征线宽缩小特征尺寸,又要提高电导率降低信号延迟。以铝(Al)、钼(Mo)为代表的传统电极在性能提升方面渐显疲态,边际效益递减,已难以满足高性能显示的金属化布线需求。纯铜(Cu)电极导电性能优异但粘附性差,为提高与基板的键合能力,需要开发新
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随着新型显示技术的不断发展,以大尺寸、高分辨率、高刷新率和柔性化为特点的高性能显示面板在商用和消费领域的需求愈发强劲。以上技术特征要求显示驱动器件的电极既要降低特征线宽缩小特征尺寸,又要提高电导率降低信号延迟。以铝(Al)、钼(Mo)为代表的传统电极在性能提升方面渐显疲态,边际效益递减,已难以满足高性能显示的金属化布线需求。纯铜(Cu)电极导电性能优异但粘附性差,为提高与基板的键合能力,需要开发新型铜合金电极材料。非晶氧化物半导体(AOS)具有低成本、高迁移率、高均匀性和可柔性化的特点,是实现高性能显示背板比较理想的有源层材料。因此,研制高导电、高结合强度的铜合金薄膜作为高迁移率AOS薄膜晶体管(TFT)的金属化布线材料,在降低电荷传输过程的电阻-电容延迟(RC-delay)方面具有重要意义。本文重点研究用于柔性氧化物薄膜晶体管的铜合金电极。主要内容如下:1.研究了以Cr、Zr为超低固溶度共掺杂合金元素的铜合金靶材的成分、物相结构和磁控溅射下的组元输运规律,研制了应用于AOS-TFT电极的Cu-Cr-Zr三元铜合金靶材。通过增加合金元素的种类和调控合金元素成分比例,利用Cr、Zr合金元素良性交互作用使铜合金靶材中的沉淀相由颗粒状转变为均匀网状,解决了Cu-Cr、Cu-Zr二元铜合金靶材因固溶沉淀和析出导致的靶材溅射面结瘤和成膜成分不稳定的问题。实现了Cu-0.12 wt.%Cr-0.08 wt.%Zr(CCZ)铜合金靶材在高功率溅射下的成分均匀转移,保证铜合金薄膜的成分的稳定性和可控性。2.通过多阴极靶磁控共溅射系统精准调节铜合金薄膜成分,研究了掺杂的合金元素种类以及含量对铜薄膜的电导率、结合强度和残余应力的作用规律。发现Cr、Zr元素共存于Cu基体时相比任一单独元素更利于保持铜薄膜的高导特性,并可实现与纯Cu薄膜一致的Cu(220)织构择优生长。根据以上规律,制备了CCZ单层和CCZ/Cu叠层结构电极,在保持高达4B-5B结合强度的同时,使电阻率接近纯铜薄膜,有效解决了常规二元铜合金电极面临的高结合强度和高导电性难以兼得的矛盾。3.研制了CCZ栅电极高性能柔性TFT器件。采用新型CCZ三元合金制备底栅顶接触型TFT器件,验证了与等离子体增强化学的气相沉积(PECVD)的Si Nx/Si Ox栅绝缘层和物理气相沉积(PVD)的Al2O3高k栅绝缘层材料的兼容性,并发现后者更利于提高TFT性能。将CCZ栅极应用于PI柔性基板的Nd IZO-TFT器件,得到饱和迁移率(μsat)达27.1 cm~2·V-1·s-1,开关比(Ion/Ioff)达2.87×10~7,亚阈值摆幅(SS)为0.28 V/decade,阈值电压(Vth)为0.09 V。经过1万次1 mm曲率半径的弯折,Vth仅漂移0.19 V,μsat变化率仅为0.37%。4.为进一步降低功耗和RC延迟,将开发的CCZ材料同时用于TFT源漏(Source&Drain,S/D)电极,可对更高导电性沟道的载流子输运行为进行调控,同时实现器件高迁移率和阈值电压补偿。研制了全铜电极柔性Nd IZO-TFT器件,μsat达32.1 cm~2·V-1·s-1,Ion/Ioff达4.10×10~7,SS为0.16 V/decade,Vth为0.42 V。使用CCZ电极的TFT表现出了优秀的电学稳定性和弯折可靠性:在经过5400 s的±1 MV/cm栅极偏置电压下,Vth仅漂移-0.28 V/+2.46 V;曲率半径为2.5 mm的静态弯折下,Vth仅漂移-0.32 V;在经过曲率半径4 mm的1万次的动态弯折后,Vth仅漂移-0.29 V。
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