毕业论文——Al掺杂ZnO薄膜晶体管的制备与表征

1、湘潭大学毕业论文题目: Al掺杂ZnO薄膜晶体管的制备与表征 学 院 : 专 业 : 测控技术与仪器 学 号 : 姓 名 : 指导教师 : 完成日期 : 2013年5月20日 21湘 潭 大 学毕业论文(设计)任务书论文题目： Al掺杂ZnO薄膜晶体管的制备与表征 学号： 姓名： 专业： 测控技术与仪器 指导教师： 系主任： 一、主要内容及基本要求 主要内容：了解薄膜晶体管TFT的概念、应用及发展趋势。掌握脉冲激光沉积法制备Al掺杂ZnO薄膜(ZAO)的流程和关键技术。调研了Al掺杂氧化锌材料微观结构和电学性能的测试分析方法，并对所制备的Al掺杂ZnO薄膜(ZAO)的相关性能进行表征与分析。通

2、过查阅文献资料和运用所学理论知识，对实验结果进行初步的分析。培养查阅文献和综合分析与解决问题的能力。 基本要求： 1. 文献调研掌握薄膜晶体管TFT材料的概念、应用及发展趋势； 2. 掌握Al掺杂ZnO薄膜(ZAO)的制备和表征方法； 3. 掌握相关实验结果的处理和分析方法。 二、重点研究的问题1. 研究掺杂对薄膜材料微观结构的影响； 2. 研究掺杂对薄膜材料电学性能的影响。 三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1查阅相关文献资料，掌握基本知识12年12月15日- 13年01月25日2熟悉脉冲激光沉积法实验的操作13年01月26日- 13年03月25日3Al掺杂ZnO薄膜(ZAO)的制备1

3、3年03月26日- 13年04月10日4ZAO薄膜微观结构的表征13年04月11日- 13年04月20日5ZAO薄膜电学性能的表征13年04月21日- 13年05月10日6处理实验数据，完成论文初稿13年05月11日- 13年05月18日7修改初稿，制作PPT13年05月19日- 13年05月24日8准备答辩13年05月25日四、应收集的资料及主要参考文献1 姚绮君, 李德杰. 基于氧化物的半导体薄膜晶体管D. 北京: 清华大学, 2008. 2 P. K. Weimer. The TFT a new thin-film transistorJ. Proceedings of the IRE,

4、 1962, 50(6): 1462-1469. 3 T. Brody, J. A. Asars, G. D. Dixon. A 6× 6 inch 20 lines-per-inch liquid-crystal display panelJ. Electron Devices, IEEE Transactions on, 1973, 20(11): 995-1001. 4 P. Le Comber, W. Spear, A. Ghaith. Amorphous-silicon field-effect device and possible applicationJ. Elect

5、ronics Letters, 1979, 15(6): 179-181. 5 Tsumora, H. Koezuka, T. Ando. Polythiophene field-effect transistor: its characteristics and operation mechanismJ. Synth Met, 1988, 25: 11-23. 6 R. L. Hoffman, B. J. Norris, J. F. Wager, ZnO-based transparent thin-film transistorsJ. Applied Physics Letters, 20

6、03, 82: 733-736. 7 C. R. Kagan, P. Andry. Thin-Film TransistorsM. New York: Marcel Dekker, 1968, 2003. 8 S. A. Dibenedetto, A. Facchetti, M. A. Ratner, T. J. Marks. Molecular self-assembled monola- yers for organic and unconventonal inorganic thin-film transistor applicationsJ. Adv.Mater, 2009, 21:

7、1407-1433. 9 C. Y. Chen, J. Kanicki. High field-effect-mobility a-Si:H TFT based on high deposition-rate PECVD materialsJ. IEEE Electron Device Letters, 1996, 17(9): 437-439. 10 M. J. Powell, C. V. Berkel, A. R. Franklin, S. C. Deane, W. I. Milne. Defect pool in amorph- ous silicon thin-film transis

8、torsJ. Phys. Rev. B, 1992, 45(8): 4160-4170. 11 M. J. Powell. Analysis of field effect conductance measurements on amorphous semiconductorJ. Philos. Mag. B, 1981, 43(1): 93-103. 12 R. A. Street, K. Winer. Defect equilibria in undoped a-Si:HJ. Phys. Rev. B, 1989, 40(9): 6236-6249. 13 T. Tiedje, A. Ro

9、se. A physical interpretation of dispersive transport in disordered semiconder J. Solid State Commun, 1980, 37: 49-52. 14 G. Morell, R. S. Katiyar, S. Z. Weisz, H. Jia, J. Shinar, I. Balberg. Raman study of the netwo-rk disorder in sputtered and giow discharge a-Si:H filmsJ. J. Appl. Phys, 1995, 78(

10、8): 5120-5125. 15 16 17 18 19 20 H. Jia, G. K. Pant, E. K. Gross, R. M. Wallace, B. E. Gnade. Gate induced leakage and drain current offset in organic thin film transistorsJ. Organic Electronics, 2006, 7(1): 16-21. 21 赵耀东, 杜国同. ZnO基薄膜晶体管的初步研究D. 吉林： 吉林大学, 2010. 22 孙成伟. 射频反应磁控溅射ZnO薄膜能带工程相关问题研究D. 大连: 大

11、连理工大学, 2006. 湘 潭 大 学毕业论文(设计)评阅表学号 姓名 专业 测控技术与仪器 毕业论文题目： Al掺杂ZnO薄膜晶体管的制备与表征 评价项目评 价 内 容选题1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2.难度、份量是否适当；3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；2.是否有综合运用知识的能力；3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；4.是否具备一定的外文与计算机应用能力；5.工科是否有经济分析能力。论文质量1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、

12、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范；2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何；3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。综合评 价评阅人： 2013年 月 日湘 潭 大 学毕业论文(设计)鉴定意见 学号： 姓名： 专业： 测控技术与仪器 毕业论文 21 页 图 表 18 张论文题目： Al掺杂ZnO薄膜晶体管的制备与表征 内容提要： 首先介绍了TFT的概念、基本性质、应用及其发展趋势。然后利用脉冲激光沉积（PLD）方法在n型重掺杂硅基底上制备了Al掺杂ZnO薄膜(ZAO)，以ZAO薄膜为有源层，利用掩膜和离子溅射技术制

13、备了底栅顶接触结构的Al掺杂ZnO薄膜晶体管，即ZAO-TFT。利用扫描电子显微镜(SEM)表征了Al掺ZnO薄膜的表面形貌，利用X射线衍射(XRD)表征了ZAO薄膜的微观结构，利用半导体参数测试仪KEITHLEY 4200-SCS对ZAO-TFT的电学特性进行测试，并对相关结果进行了分析。 指导教师评语同学在整个毕业论文的工作中，态度端正，实验动手能力较强，能按时完成布置的学习任务和本次毕业论文的相关实验。经过几个月的毕业论文工作，该生了解了ZnO材料的物理性能、应用领域及其发展趋势。通过自己动手实验，制备了Al掺杂的ZnO薄膜晶体管(ZAO)，并用扫描电子显微镜和半导体参数测试仪对样品的相

14、关性能进行了表征。符合毕业答辩的要求，同意其参加答辩。 指导教师： 年 月 日答辩简要情况及评语答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见答辩委员会主任： 年 月 日目 录摘要1第1章 引言21.1 薄膜晶体管(TFT)的概述21.1.1 TFT的发展简介21.1.2 TFT的结构及工作原理31.1.3 影响TFT电学性能的参数51.2 TFT的应用51.2.1 TFT在LCD中的应用51.2.2 TFT在OLED中的应用61.2.3 TFT在柔性显示中的应用61.3 ZnO-TFT的优缺点及研究趋势71.4 本文的选题依据和主要内容7第2章 铝掺杂氧化锌薄膜晶体管的的制备92.1 ZAO-TF

15、T的制备方法9 2.2 ZAO-TFT的表征方法102.3 ZAO-TFT 器件的制备132.3.1 ZAO-TFT结构设计132.3.2 ZAO-TFT的制备流程13第3章 ZAO-TFT的性能表征153.1 SEM分析法163.2 I-V测试分析法163.3 XRD分析法17第4章 总结18参考文献19致 谢21铝掺杂ZnO薄膜晶体管的制备与表征摘要：采用脉冲激光沉积法在N型重掺杂硅基底制备了铝掺杂ZnO薄膜。以铝掺杂ZnO薄膜为沟道层，制备了底栅结构的薄膜晶体管。XRD实验结果表明，铝掺杂ZnO薄膜为纤锌矿结构，具有良好的c轴择优取向。SEM实验结果说明，薄膜表面平整，晶粒尺度分布均匀，

16、无明显缺陷。电学测试结果显示器件是n沟道增强型。晶体管具有较好的饱和性，关键词：脉冲激光沉积，薄膜晶体管，择优取向，n沟道增强型Preparation and characterization of Al-doped ZnO thin films transistorAbstract: Al-doped ZnO(AZO) films were prepared by Pulsed Laser Deposition technique on n-type silicon. With AZO films as channel layers, bottom gate thin film transi

17、stors were fabricated. The XRD results show the AZO films are wurtzite structure with c-axis orientation. The SEM experiments indicate that the AZO films are uniform and smooth without obvious defect. The I-V property of AZO-TFTs implies the devices are n-channel enhanced thin film transistors. AZO

18、- TFTs have a good saturation performance.Key Words: Pulsed Laser Deposition, thin film transistors, orientation, x-ray diffraction, n-channel enhanced第1章 引 言1.1 薄膜晶体管(TFT)的概述1.1.1 TFT的发展简介进入新千年，作为信息产业的重要构成部分显示器件正在加速推进其平板化的进程，各种高精度电子产品不断出现并快速普及，采用新材料和新工艺的大规模半导体全集成电路制造技术，是液晶、无机和有机薄膜电致发光平板显示器的基础。平板显示和

19、传感器件中往往需要有源矩阵来辅助驱动，即将有源电路集成在每一个阵列单元中来解决器件驱动中的各种问题。普通有源电路的核心元件是晶体管，有源矩阵的核心元件则是薄膜晶体管(TFT)，TFT是在玻璃或塑料基板等非单晶片上通过溅射、化学沉积工艺形成制造电路必需的各种膜，通过对膜的加工制作大规模半导体集成电路，是一种在基板上使用薄膜工艺制作的场效应管1。下表简述了薄膜晶体管的发展历史。20世纪30年代Lilienfeld在申请的专利发明中首次描述了场效应器件，Heil更加全面的阐述了半导体薄膜作为有源层的特点，共同开辟了TFT器件研究。20世纪40年代Bardeen和Brattain发明了双极结型晶体管(

20、Bipolar Junction Transistor, BJT)；Shockley发明了与TFT的特性非常相似的结型场效应晶体管(Junction Field-Effect Transistor，JFET)。1961年今天大家熟知的TFT的发展历史始于RCA实验室的P.K.Weimer的研究工作。他应用多晶态的硫化镉薄膜做有源层，用SiO2薄膜做绝缘层，成功制作出“交叠型”结构的器件2。1973年Brody等人首次研制出有源矩阵液晶显示(AMLCD)3，并用CdSe TFT作为显示的开关器件，打开了TFT的工业应用之门。1979年LeComber、Spear和Ghaith用非晶硅(a-Si)

21、做有源层，氮化硅作为绝缘层制作出性能较好的TFT器件4。1981年日立制作所的A.Miaumi用分子束外延的方法制作了p-Si TFT5，开关比大于，迁移率为。1984年取访精工研制成功像素2英寸的p-Si TFT AMLCD的产品，标志AMLCD进入实用期。1986年Tsumura等人首次用聚噻吩为半导体材料制备了有机薄膜晶体管(OTFT)，OTFT技术开始得到发展。2003年Hoffman 等25报道了以 ZnO 为沟道层的全透明TFT 并指出可以将其应用在有源矩阵驱动显示中，开创了氧化物TFT研究的热潮。Hosono在Science、Nature等期刊上发表了数篇有关IGZO-TFT的文

22、章6，推动了氧化物TFT的迅速发展。2004年至今a-Si-TFT已是成熟的产业化技术；OTFT、LTPS-TFT和氧化物TFT的研究方兴未艾，有望成为下一代主流显示技术。表1 TFT技术发展简表表1为TFT技术发展简表，从表1.1可以看出，TFT的发展与双极型晶体管(BJT)和金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的发展息息相关。1.1.2 TFT的构成和工作原理在显示器件领域，薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)作为显示器件的基本元件与核心元件，它在显示电路里面主要起开关作用和驱动作用。TFT本质上是绝缘栅型场效应晶体管，是金属-氧化物-半导体场效应晶体

23、管(MOSFET)的“堂兄弟”7。从结构上讲，根据源/漏电极和栅电极的位置的不同，TFT可分为底栅顶接触、底栅底接触、顶栅底接触和顶栅顶接触四种类型(如图1.1所示)8。从材料类型上讲，根据有源层半导体材料的不同，TFT可分为非晶硅TFT、多晶硅TFT、有机TFT和氧化物TFT。目前绝大部分的TFT-LCD中使用的TFT，都是采用底栅型的非晶硅(amorphous silicon, a-Si: H)薄膜晶体管。底栅型结构的独特优点是：金属栅极和绝缘层同时可以作为非晶硅沟道层的光学保护层，以防止背光源发出的光照射到非晶硅层进而产生光生载流子，破坏沟道层的电学特性。图1.1 TFT的基本结构：底栅

24、顶接触、底栅底接触、顶栅底接触和顶栅顶接触下面以底栅结构的非晶硅TFT为例，介绍TFT的构成与工作原理。如图1.2所示，底栅结构的非晶硅TFT具有一个SiNX材料的栅极(gate)，源极(source)和漏极(drain)各一个，一般由ITO(Indium tin oxide，氧化铟锡)构成。非晶硅TFT的主要结构是一个非晶硅半导体薄膜；半导体层的两端，各经过一层N+型掺杂的非晶硅层，与源极与栅极电极相连接(实现欧姆接触)。图1.2 底栅顶接触型非晶硅TFT的剖面示意图(a)(b)图1.3 非晶硅TFT电学性能图：(a)输出特性曲线图；(b)转移特性曲线图图1.3所示为典型的底栅结构的非晶硅T

25、FT电学性能曲线图9，器件沟道的宽长比为WL=116m32m。图1.3 (a)为输出特性曲线图。源漏电压VDS从0V到20V，栅极偏压VGS从OV到20V，间隔为5V。从图1.3(a)可以看出栅极偏压VGS对源漏电流IDS的调控显著。栅极偏压为零时，源漏电流IDS几乎为零，说明有源层中没有形成导电沟道，TFT处于关断状态，表明此非晶硅TFT是增强型器件；随着栅极偏压正向增大，有源层中的电子逐渐向有源层和绝缘层界面移动，栅极偏压大于阈值电压后，有源层中的导电沟道开始形成，并且沟道电流IDS随着栅极偏压的增大而增大，表明非晶硅TFT工作在N沟道模式。漏极电压逐渐加大，TFT的输出曲线由线性区过渡到

26、饱和区，表现出很好的饱和性。VGS=20V时，源/漏饱和电流IDS超过20A。图1.3(b)为转移特性曲线，Vgs=10V时，器件的开关比大于107。当栅极电压VGS加至10V时，TFT可具有超过10-5A的源/漏电流，而栅极电压VGS为-5V至0V时，晶体管是关闭的，源/漏电电流IDS小于10-12A。因此，藉由设定栅极电压，可以达到控制半导体作为开关的目的，TFT的电压-电流公式，可遵循MOSFET的基本公式：当 Vgs-VthVds时，有Ids=eff(ins0tins)WLVgs-VthVds当 Vgs-Vth<Vds时，有Ids=12effins0tinsWLVgs-Vth2式

27、中tins为栅绝缘层厚度，从而ins0tins为单位面积栅绝缘层的电容值，W为导电沟道宽度；L为导电沟道长度；Vgs为栅极-源极电压；Vds为源极-漏极电压；Vth为截止电压(threshold voltage，或称为阈值电压)。特别要提的是，eff为等效载流子迁移率，其中包括了对载流子实际迁移率0与缺陷数目Ndefect与载流子数目Nfree的修正项：eff=0Nfree/Nfree+Ndefect一般而言，非晶硅TFT的载流子实际迁移率0大致在10cm2/Vs左右，但由于缺陷数目太多，栅极所吸引的大部分电荷被攫取在缺陷中而无法提供导电能力，使得等效载流子迁移率仅剩下不到1cm2/Vs10-

28、14。1.1.3 影响TFT电学性能的参数影响TFT电学性能的参数如表2所示。TFT主要参数定义、工作原理与影响因素场效应迁移率场效应迁移率是指在单位电场下，电荷载流子的平均漂移速率。=E/v，式中E为电场强度，v为载流子移动速度。它反映了在不同电场下空穴或电子在有源层沟道中的迁移能力，单位为cm2V-1s-1。当器件工作在线性区时，=LWCiVDS/IDSVGS；工作在饱和区时，=2LWCiIDSVGS2。场效应迁移率的影响因素有半导体纯度，结晶质量，晶粒尺寸，电极接触以及沟道宽长比等。阈值电压Vth阈值电压Vth是用来度量TFT中开启导电沟道所须的栅电，单位为V。阈值电压Vth一般从以下两

29、方面获得：1.根据描述TFT工作在线性区域的公式，在VDS较小时的转移曲线的线性区域外推至零电流处即为Vth；2.利用饱和区TFT转移特性曲线IDS12-VGS中，进行线性拟合，拟合线斜率所在直线的延长线与栅压轴的交点截距即为阈值电压Vth。开关比Ion/Ioff开关比Ion/Ioff在数值上等于器件的开态电流(Ion)与关态电流之比(Ioff)，它反映了器件对电流的调控能力。一般而言，Ion/Ioff要大于34×106，如果TFT元件不能提供大于这个值的开关电流比，不论储存电容如何设计，其结果不是大致保持电位但不能在预定时间内完成充电，就是预定时间内完成充电但不能保持电位，即无法满

30、足充电电位保持两个要求，因此无法作为TFT-LCD的开关。亚阈值摆幅S亚阈值摆幅S是指漏源电流降低一个数量级所跨的栅压值，单位为mV/decade。它表征TFT由关态切换到开态时电流变化的迅疾程度，是用来表征TFT器件质量的一个重要参数，表达式为：S=dVGSdlogIDS.。S越小，表明TFT从关态切换到开态所需要的电压变化越小，当然需要的切换时间就越少。这个数值依赖于绝缘层的电容率Ci，可以直接比较不同器件的性能。表2 TFT的主要性能参数1.2 TFT的应用1.2.1 TFT在LCD中的应用TFT在LCD显示单元中起开关作用，当该显示单元被选通时，加在栅极上的脉冲电压使 TFT 打开，存

31、储电容充电，随后TFT关闭，在此后一帧图像的扫描时间里，存储电容上一直保持着先前写入的电压，并施加在液晶单元上。通过调节导入电压的幅度可以改变液晶的透光率，从而达到图像显示的目的。TFT的引入解决了LCD的亮度、对比度、灰度、色彩、响应时间、功耗等一系列问题，可实现比较理想的图像显示。1.2.2 TFT在OLED中的应用 当在OLED元件上施加电压时，电压源的阳极所提供的空穴，与阴极所产生的电子，会在OLED的发光层内发生电子-空穴复合，所产生的能量，则以光的形式散发，从而达到发光的目的。1987年，柯达公司提出了OLED的器件结构，随后在得到了学术界和工业界的频频研究，近几年进步很快。OLE

32、D显示单元是电流驱动的，与OLED显示单元串联的驱动用TFT，其开态导通电流正比于OLED的发光亮度。如果采用场致迁移率值较低的非晶硅TFT，为达到显示器的亮度要求，只有增大TFT的宽长比，这给像素设计带来很多限制。开发具有高迁移率的低成本TFT是解决上述问题的一个途径。OLED被认为是继TFT LCD之后下一代平面显示技术，它具有构造简单，厚度薄，自发光器件，不需要背光源，比较宽的工作温度范围以及反应速度快等优点。TFT在OLED当中作为开关器件使用时，要求开态电流与关态电流之比要比较大；作为驱动器件使用时，要求线性区工作电流比较稳定，没有偏置，且其开态导通电流正比于OLED的发光亮度。1.

33、2.3 TFT在柔性显示中的应用研究人员普遍认为，未来显示器的一般特征是：“Everywhere! Any Shape!”、“Digital Life”、“Go Green”，即未来的显示器是可以在任何场所使用的绿色节能数字显示器，可以形成任何形状，比如窗户、衣服、挂画等都可以成为显示器，柔性显示器满足以上特征。TFT在柔性显示中的应用发展十分迅猛，下面以20102013年为例：2010年，台湾工研院15利用其开发的玻璃基板柔性显示器制造技术，在玻璃基板上形成剥离层，并在上面涂覆聚酰亚酰胺薄膜，之后将该聚酰亚酰胺薄膜作为基板，在其上制造TFT及传感器元件，该方法高精度可控；2010年，凸版印刷

34、公司16使用TAOS涂膜在玻璃基板上制造了TAOS-TFT后成功驱动了电子纸。TAOS-TFT制造工艺的最高温度为240250，TFT的迁移率为5.4cm2Vs；2011年，利用氧化物半导体TFT技术，LG17开发出55英寸有机EL显示器，该公司的55英寸有机EL面板厚度不到5mm，实现了薄型轻量，耗电量也低于该公司的液晶面板。对比度高于液晶面板，为100000:1以上，像素响应速度是液晶面板的1000倍以上；2012年，美国亚利桑那州立大学18的柔性显示器中心(Flexible Display Center，FDC)宣布，试制出了7.4英寸的柔性有机EL显示屏，“是世界最大尺寸的柔性有机EL

35、显示屏”。显示屏的背板采用名为“mixed oxide”的氧化物半导体TFT。可以利用已有的非晶硅TFT生产线，因此预计能大幅降低制造成本；2013年，凸版印刷和Plastic Logic公司19利用TFT技术，共同研发了大尺寸柔性数字标牌试制品，该试制品是相当于42英寸的可弯曲电子纸，由16张10.7英寸、1280×960像素的单色电子纸拼接而成。1.3 ZnO-TFT的优缺点及研究趋势 ZnO是工业上的常用材料，价格便宜，无毒无害，在功能器件方面的应用包括压敏/3电阻、透明导电膜、气体传感器、声学换能器等等，在紫外光发射二极管和紫外探测方面也具有潜在的应用价值。ZnO是人们最熟悉

36、的氧化物半导体，这是我们一开始就选择ZnO材料来尝试制作氧化物半导体TFT的主要原因。ZnO是一种天然自掺杂的N型半导体，很容易结晶，有利于得到高载流子迁移率的薄膜，而且可以采用多种镀膜方法进行沉积。这也构成了利用ZnO材料作为TFT半导体层的基础之一。ZnO-TFT虽然有很多独特的优点，但研制过程中仍然有一些问题需要解决。如ZnO-TFT器件关态电流较大、器件工艺重复性较差，器件性能和稳定性需要改进。在降低工艺温度的同时也需要提高各层薄膜间的兼容性。 为了获得高性能、低成本的ZnO-TFT，到目前为止，除了制备工艺等条件的简化和改进的研究，很多学着转向对于在实践中持久应用出现的稳定性问题，如

37、实际应用中光照，长期加压，长期加上电流等对器件性能参数造成的偏移等的研究，这是氧化物TFT除了上面所说的P型制备较难以外存在的另一个热门研究问题，虽然其禁带宽度较宽，但是在实际应用中，还是会受到外界影响，如长期的偏压，光照等的影响，氧化物TFT的这些稳定性问题的研究解决对于其步入实际应用非常有必要，在实际应用中还要注意提高各层薄膜间的的兼容性。最后一点是漏源电流偏置问题，漏源电流偏置问题在有机TFT中存在比较普遍，在氧化物TFT中不甚明显，但是从很多氧化物TFT的报道中我们发现它还是存在的。漏源电流偏置扭曲了TFT在线性区的电学性能，降低了电流的驱动能力，对其在应用中产生不良的影响20，这是本

38、论文研究的主要问题。未来TFT技术将会以高密度高分辨率、节能化、轻变化、集成化等为发展主流，只有良好的解决上面的所有问题，才能为ZnO-TFT器件在未来的广泛发展铺好道路。TFT器件的研发为显示技术的应用带来了重大的机遇和挑战，相信在不久的将来，以OTFT和ZnO-TFT等新型器件为核心器件的平板显示器产品，会推动下一代光电子学的突飞猛进。1.4 本文的选题依据和主要内容ZnO是一种直接带隙、宽禁带氧化物半导体，常温下，其禁带宽度为3.37eV，激子结合能为60eV，这表明ZnO激子有很好的稳定性。理论上来讲，具有较大束缚能的激子更容易在室温下实现高效率的激光发射，正因如此，使得ZnO薄膜具有

39、优良的光学、电学性能和化学稳定性。但是，ZnO薄膜晶体管的性能还不完善，人们不断寻求高的场效应迁移率以及它环境的稳定性等等。通过掺杂增加ZnO薄膜的载流子浓度，近年来已成为研究热点。20世纪70年代末，人们开始关注一种新型的透明导电材料掺铝氧化锌薄膜。 ZAO薄膜是一种透明导电膜，其禁带宽度大于可见光子能量，对光的透射率大于80%，且ZAO的薄膜的载流子浓度很高，表现出类金属的性质，因此，相比于ZnO薄膜晶体管，它具有更好的光学特性和电学特性，而且制备工艺简单、价格低、材料来源丰富、无毒和稳定性好。而随着薄膜制备技术的日益完善，ZAO的应用得到了快速的发展，日本东京曹达公司已经推出了ZAO靶材

40、，国内也有公司提供了小块靶材。其领域也越来越广泛，如在太阳能电池、液晶显示等领域中都有广阔的应用前景。为了进一步提高ZAO薄膜的性能，研究人员对相关方面(如参杂物的作用、微观结构对其电导率的影响、制备工艺的完善、开发新的应用领域等)的研究越来越深入。叶志镇领导的研究小组通过脉冲激光沉积技术，在硅衬底上制的掺铝氧化锌，其稳定性超过9个月，且具有很好的电学与光学性能21。本文以此为依据，通过向ZnO掺入Al的实验来验证掺杂的实际效果。首先利用PLD方法制备了Al掺杂的ZnO薄膜晶体管(ZAO)，对热处理之后的氧化物薄膜进行扫描电子显微镜(SEM)表征，使用X射线衍射(XRD)表征了ZAO薄膜的微观

41、结构，最后使用半导体系数测试仪测量了其I-V性能。第2章 ZAO的制备2.1 ZAO-TFT的制备方法1) 磁控溅射方法：磁控溅射技术是一种以离子溅射子为基础的薄膜制备技术。它是指高能离子轰击靶材表面时，高能粒子沉积在衬底上，使得薄膜与衬底附着良好从而得到想要的薄膜。其优点是膜厚可控溅射时基片温升低、形成的薄膜结晶性能较好。但也存在着薄膜材料与基片之间可能发生反应的缺点22。2) 金属有机化学气相沉积(MOCVD):该技术是以金属有机化合物或氢化物作为生长源材料，以热分解的方式在衬底上进行气相外延，经过一系列的反应后最终在衬底表面上行程外延层。该方法最显著的技术特点是可以合成以任意比例组成的人

42、工合成材料，同时,该方法可以对所生长的薄层材料的厚度和界面进行精确控制,还可以生长大面积、均匀的半导体薄膜,适合大批量生产。但也存在缺乏实时在位监测生长过程技术、设备昂贵、参数控制难的缺点。3) 分子束外延法(MBE)：分子束外延法是在在超高真空高温下，产生蒸气，在真空中膨胀后，直接喷射到衬底上进行外延生长。其优点是膜的组分和掺杂浓度能随源的变化而迅速调整及可对厚度、成分与结构进行精确控制。但其生长周期长，对原材料有较高的纯度要求。4) 原子层沉积(ALD)：原子层沉积也被称为原子层化学气相沉积，是利用反应气体和基板之间的反应，以单原子膜形式一层层的镀在基底表面的方法，其主要特点是原子层沉积过

43、程中，每次反应只沉积一层原子。它能精确控制薄膜特性，使薄膜更平滑均匀、重复性更好。5) 脉冲激光沉积：脉冲激光沉积法(PLD)是一种有效制备薄膜的物理气相沉积法。脉冲激光器产生高功率脉冲激光，经透镜聚焦后照射在靶材表面上，靶材表面在高温下迅速加热、蒸发、电离，随着脉冲激光的进一步作用，靶材最终会形成具有高温高压的等离子体，这种等离子体继续和激光相互作用在空间作定向局域膨胀扩散后，沉积在衬底上形成薄膜。PLD的优点是激光器瞬间蒸发的等离子体能量很高，容易在较低的衬底温度下沉积薄膜，且薄膜组分控制较精确；过程无污染，工艺简单易于控制，能制备多种薄膜。本文采用PLD法制备AZO薄膜，所用仪器为美国P

44、VD公司研制的PLD-5000脉冲激光沉积系统。图2.1为PLD-5000的实物图与基本装置示意图。从图中可以看出，我们的PLD-5000系统主要由激光器、光路系统和真空沉积系统组成。该系统的激光器采用德国COHERENT公司研制的compex205准分子激光器，此激光器以KrF为工作气体，激光波长为248nm，最大脉冲能量与最大重复频率分别是700mJ和50Hz，脉冲宽度为20ns，聚焦光斑为2×10mm。真空沉积腔内的加热器提供的最大温度为950，气氛压强控制范围是1-250mTorr，靶材与衬底理论距离为87-150mm，激光入射角为60°，沉积腔真空度为5×

45、;10-8Torr。 PLD-5000系统制备薄膜的主要过程是：激光器产生的激光由透镜会聚后经两面反射镜入射到真空沉积腔并打在靶材上，随后高能量的激光烧蚀靶材表面，使靶材受热熔化、气化直至变为等离子体，然后等离子体羽辉按垂直与靶材表面的方向向衬底运动，最后输运到衬底上凝聚、成核至形成薄膜。该系统最大的特点是能够通过电脑软件精确控制激光分段扫描靶材表面的速度与位置。同时，该系统能够对光路进行自动调焦使激光扫描靶材时表面能量密度保持不变，使脉冲激光沉积法制备均匀大面积薄膜不再是一个难题。系统配置了三个靶位，可以放置三个不同材料的靶材，便于制备多层膜和异质结。43152图2.1 PLD-5000系统

46、示意图1-激光器，2-系统控制电脑，3-光路系统，4-沉积腔，5-衬底送取装置2.2 ZAO-TFT的表征方法1) 扫描电子显微镜(FE-SEM) 扫描电子显微镜(FE-SEM)由电子枪、聚光镜、物镜等组成，扫描电镜光路与结构图如图2.2所示。聚光镜、物镜将电子枪发出的电子会聚在试样上，经过试样内的多次弹性散射和非弹性散射后，在样品表面外形成多种信号，这些信号经过探测器探测后送到显像管。物镜内有两组偏转线圈使样品上的电子束扫描，同时显像管内的电子束作同步扫描，于是试样的二次电子和背散射电子信号在显像管荧光屏上显示样品的放大像。图像的分辨率主要由会聚到试样的电子束的直径决定。目前的场发射电子枪电镜中电子束直径会聚到1nm。扫描电镜最基本的成像信号是二次电子像，它主要反映样品外表立体形貌。扫描样品的表面总是高低起伏、凹凸不一的，因此，扫描电子束在样品上轰击时，其角度和方向不同，激发出的二次电子数量也不同，而且这些二次电子向空间散射的角度和方向也不同，因此，二次电子的数量是样品表面特征和入射角的函数，二次电子的出射方向又与样品表面特征有关。在本论文中，使用的扫描电子显微镜型号为Hitachi S4800，实物图如图2.3所示。图2.2 扫描电镜光路与结构图图2.3 Hitachi S4800扫描电镜