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信息化时代的到来与信息显示和信息存储技术的不断发展密不可分。在信息显示技术领域,薄膜晶体管作为平板显示的核心元件,高清、大屏幕的显示趋势要求晶体管具有高的迁移率和稳定性,而传统的硅基材料晶体管很难满足这一要求。在信息存储技术领域,忆阻器在新型非易失性存储器以及神经突触仿生模拟方面有着巨大的应用前景,但仍然面临一些问题,如阻变参数波动性及神经突触仿生器件的材料选择。而非晶InGaZnO(IGZO)材料具有电学性质可调、均一性、柔性透明的特点,被视为新一代晶体管及忆阻器件的候选材料。本论文基于InGaZnO和InGaZnO:N薄膜的不同电学性质,构筑了双层结构InGaZnO/InGaZnO:N的薄膜晶体管和忆阻器件,达到实现器件性能优化与神经突触仿生功能模拟的目的。主要研究内容如下:设计并制备了单层IGZO薄膜晶体管。具体研究了生长条件(如:元素组成、氧分压、衬底温度)对晶体管电学性能(迁移率、开关比、阈值电压、饱和电流、关态电流)的影响。研究表明:(1)过量的In能够增加电子的导电路径,器件的饱和电流和迁移率得到了提高;(2)氧分压的减少提高了IGZO薄膜的载流子浓度,器件的阈值电压向负向移动;(3)衬底加温减小了IGZO薄膜的无序度,器件的沟道缺陷态减小,迁移率得到了提高。基于以上结果我们确定了单层IGZO晶体管最优化的制备条件。晶体管性能参数如下:Ion~3.5×10-4 A,Ioff~2×10-10 A,Ion/off~1.7×106,μFE=2.92 cm2/V·s,Vth=-15V,SS=3.47 V/decade。针对单层IGZO沟道不能兼顾高载流子浓度与高电子迁移率的问题,通过在IGZO层与SiO2层之间插入N掺杂的IGZO:N层,构造了基于双层结构IGZO/IGZO:N沟道的薄膜晶体管。实验结果表明,双层结构的晶体管迁移率为5.74 cm2/V·s要优于单层的晶体管,原因有3个方面:(1)高载流子浓度的IGZO层能够提供足够的载流子数量,而高霍尔迁移率的IGZO:N层能够提供更加平滑的载流子导电路径,(2)IGZO:N层能够有效地钝化沟道层与绝缘层之间的界面,(3)双层对比单层具有更高的沟道层薄膜表面平整度。同时,发现器件的稳定性得到了提高,在正偏压下,双沟道晶体管具有比单层晶体管更小的阈值电压偏移(2.6V对比7.2V)。原因在于一方面高载流子浓度的IGZO层能够减少空气对沟道层薄膜电子浓度的影响;另一方面N掺杂的钝化层IGZO:N能够有效的减少沟道层和绝缘层的界面缺陷。根据阻变模式的差异,忆阻器件可分为数字型和模拟型;前者能够在高低阻态间相互转换,可用于高性能信息存储;后者可实现电阻态的连续改变,有望应用于神经突触仿生。本论文基于IGZO/IGZO:N双层结构设计并制备了数字型和模拟型忆阻器件。在信息存储方面,双层器件展现出较小的形成和转换电压,更加均一的电阻转换。其原因在于:IGZO和IGZO:N薄膜中氧空位导电丝生长速率的不同导致了其有效尺寸的差异(即:在IGZO层中形成较粗的导电丝,而在IGZO:N层中形成较细的导电丝);因此,电阻转换位置被局域在IGZO:N层一侧,减小了导电丝形成和断裂的随机性,从而提高器件的性能。在神经突触仿生方面,基于氧离子迁移/扩散导致的导电前端移动模型,实现了IGZO:N绝缘层厚度连续变化以及器件电阻的可控调节。利用IGZO/IGZO:N模拟型忆阻器件构筑了人工神经突触器件,实现了非线性传输特性、刺激时间依赖的可塑性、长时/短时可塑性、经验式学习行为等多种突触学习/记忆功能的仿生模拟,这些功能与生物体认知规律具有高度的相似性。