（无线电物理专业论文）氧化物薄膜晶体管的制造及其电学性能研究.pdf

氢丝堑蓥送昌篮篁鲍剑造区基垫堂性能珏究 论文作者签名：垂丝 指导教师签名：豳垃羔錾镌 论文评阅人1 ： 评阅人2 ： 评阅人3 ： 评阅人4 ： 评阅人5 ： 截宁 一一c 乏必j 乙 答辩委员会主席：己# 委员l ： 委员2 ： 委员3 ： 委员4 ： 委员5 ： 参磐梭 岛毫知 p 乙蔓 i 答； a 鼠i 砂l f 。s | r nj lr a n s l s t o r s a u t h o r ss i g n a t u r e ：蝤豳 s u p e r v i s o r ss i g n a t u r e ：翌：兰竺丝乡 舭他z 砒 e x t e r n a lr e v i e w e r s p 访m 砷 e x a m i n i n gc o m m i t t e ec h a i r p e r s o n ： 己掰 e x a m i n i n gc o m m i t t e em e m b e r s ： d a t eo fo r a ld e f e n 舢1川3 舢83 9删8 删1脚y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：丑力皿 签字日期：7 叼7年易月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解进姿态堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：豆_ 右净 导师签名： 疑扔坞卯她 签字日期：刎f 年6 月乙日签字日期：m 年多月2 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 。 浙江大学硕士论文摘要 摘要 2 0 世纪平板显示技术的出现，把人类带入了信息社会，人类社会从此发生 了质的飞跃。而平板显示的核心元件就是薄膜晶体管t f t ( n l i nf i l mt r a n s i s t o r ) ， 一种在玻璃基底上通过薄膜工艺制作的场效应晶体管器件。在有源矩阵平板显示 ( a m l c d ) 中，目前依旧采用非晶硅t f t 、多晶硅t f t 等作为开关单元，但 非晶硅t f t 迁移率低、光敏性强；而多晶硅t f t 大面积制作工艺复杂、低温工 艺难以实现，成本高，因此限制了它们在更广阔的范围中应用。将半导体氧化物 作为有源层来制作t f t 用于平板显示中，不仅能获得较高迁移率，器件性能优 越，而且制造工艺简单、低温下可以获得，显示出了巨大的应用前景。 本文针对目前应用于t f t - l c d 的非晶硅t f t 的不足，研究了透明氧化物 t f t ，包括z n o 、i n 2 0 3 和z n s n o 合金薄膜晶体管等。采用磁控溅射制备z n o 、 i n 2 0 3 和z n s n o 薄膜作为有源层来制作t f t s ，绝缘层采用等离子体增强化学气 相沉积s i 0 2 薄膜。由于z n o t f t 和i n 2 0 3 - t f t 在制备过程中，有源层容易形成 多晶态，存在不可忽视的大量晶界和缺陷，所制作的z n o t f t 和i n 2 0 3 t f t 性 能都较差，迁移率分别为1 4 9 和0 6 9c m 2 ( v s ) 。 采用非晶态的z n s n o 合金薄膜作为有源层来制作t f t ，器件都具有良好的 电学性能，器件迁移率可达9 1c m 2 ( v s ) ，开关比也达到1 0 4 以上。通过后续退 火工艺，器件的性能都得到了明显改善。采用磁控溅射生长i n 2 0 3 透明薄膜作为 器件的源漏电极制作了全透明的z n s n o t f t 器件，器件具有优良的性能，最高 迁移率达5 6 2c m 2 ( v s ) ，开关比达3 x 1 0 5 ，器件的电学性能包括阈值电压、开关 比等比z n o t f t 和i n 2 0 3 t f t 都有显著提升。测试了所制备的器件的稳定性和 均匀性，发现z n s n o t f t 具有很好的均匀性，在不同源漏扫描电压下，器件稳 定性也较好。 针对目前氧化物t f t 理论模型的不足，由于z n s n o 也是非晶态薄膜，采用 已有的简化的非晶硅t f t 来模拟z n s n o t f t 特性曲线，各个区域几乎都符合的 很好，这说明现有的非晶硅t f t 模拟完全可以用于z n s n o 非晶t f t 的理论模拟 当中。 关键词：薄膜晶体管；氧化锌锡；磁控溅射：退火 浙江大学硕士论文 摘要 a b s t r a e t i nt h e2 0 t hc e n t u r y , t h ee m e r g e n c eo ft h ef i a tp a n e ld i s p l a yt e c h n o l o g yh a s b r o u g h th u m a nb e i n g si n t ot h ei n f o r m a t i o ns o c i e t y s i n c et h e nt h eh u m a ns o c i e t y h a p p e n e daq u a l i t a t i v el e a p t h ec o r ec o m p o n e n to ff l a tp a n e ld i s p l a yi st h et h i nf i l m t r a n s i s t o r ( t f t ) ，i ti saf i e l de f f e c tt r a n s i s t o rd e v i c ep r o d u c e db yt h i nf i l mt e c h n o l o g y o nt h eg l a s s i nt h ea c t i v em a t r i xl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( a m l c d ) ，i ti ss t i l lu s i n g a m o r p h o u ss i l i c o no rp o l y s i l i c o ns i l i c o nt h i nf i l lt r a n s i s t o r sa st h es w i t c h i n gu n i t h o w e v e r ，t h ea m o r p h o u ss i l i c o nt f th a sl o wf i e l de f f e c tm o b i l i t y , a n di ti s p h o t o s e n s i t i v i t y w h i t ep o l y s i l i c o nt f t sp r o d u c t i o np r o c e s si sc o m p l i c a t e da n d c o s t l y ，t h u s ，t h es c o p e o ft h e i rw i d e ra p p l i c a t i o ni sl i m i t e d i fw eu s et h e s e m i c o n d u c t o ro x i d ea st h ea c t i v el a y e r ，n o to n l yw ec a ng e tah i g h e rm o b i l i t y ，b u a l s o t h ed e v i c ep e r f o r m a n c ec a l lb ee n h a n c e d a n dt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s si s s i m p l e ，l o wt e m p e r a t u r e sc a na l s oo b t a i n e d , w h i c hs h o w sag r e a tp r o s p e c t i nt h i sp a p e r ，w es t u d i e st r a n s p a r e n to x i d et f t s ，i n c l u d i n gz n o ，i n 2 0 3a n d z n s n oa l l o yt h i nf i l mt r a n s i s t o r s w eu s e dm a g n e t r o ns p u t t e r i n gz n o ，i n 2 0 3a n d z n s n of i l m sa st h ea c t i v el a y e rt op r o d u c et f t s ；i n s u l a t i n gl a y e ro fs i 0 2t h i nf i l li s d e p o s i t e db yp l a s m ae n h a n c e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n i nt h ep r e p a r a t i o np r o c e s s o fz n o - t f ta n di n 2 0 3 - t f t ，t h ea c t i v el a y e ri se a s yt of o r mp o l y c r y s t a l l i n e ，t h e r ec a n b eal a r g en u m b e ro fg r a i nb o u n d a r i e sa n do x y g e nd e f i c i e n c y , t h ez n o - t f ta n d i n 2 0 3 t f t sp e r f o r m a n c eh a v ep o o rm o b i l i t y s ，1 4 9a n d0 6 9a m 2 ( v s ) r e s p e c t i v e l y w eu s e da m o r p h o u sa l l o yf i l mz n s n oa st h e a c t i v el a y e rt op r o d u c et f 乃t h e d e v i c eh a sg o o de l e c t r i c a lp r o p e r t i e s ，t h ef i e l de f f e c tm o b i l i t yi su pt o9 1c m 2 ( v s ) ， o n o f fc u r r e n ti sm o r et h a n10 4 a f t e ra n n e a l e di nv a c u u m , t h ep e r f o r m a n c e so ft h e d e v i c eh a v eb e e ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d w em a d et r a n s p a r e n tz n s n o - t f td e v i c e u s i n gi n 2 0 3t r a n s p a r e n tf i l mt om a d et h es o u r c ea n dd r a i ne l e c t r o d e s ，t h ed e v i c eh a s a ne x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，t h eh i g h e s tf i e l de f f e c tm o b i l i t yi su pt o5 6 2c m 2 ( v 。s ) t h e e l e c t r i c a lp r o p e r t i e so ft h ed e v i c e si n c l u d i n gt h r e s h o l dv o l t a g e ，c u r r e n ts w i t c h i n gr a t i o w e r es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dc o m p a r e dt oz n o - t f ta n di n 2 0 3 一t f t w et e s t e dt h e s t a b i l i t ya n du n i f o r m i t yo ft h ed e v i c ea n df o u n dt h a tz n s n o t f th a sg o o du n i f o r m i t y 浙江大学硕士论文 摘要 w h i t es c a n n e da td i f f e r e n ts o u r c ed r a i nv o l t a g e s ，t h es t a b i l i t yo fd e v i c ep r e s e n t e d t h ez n s n of i l mi sa m o r p h o u sj u s tl i k et h ea m o r p h o u ss i l i c o nt h i nf i l m ，s ow e u s e das i m p l i f i e dm o d e lo fa m o r p h o u ss i l i c o nt f tt os i m u l a t et h ez n s n o t f t c h a r a c t e r i s t i cc u r v e a l m o s ta l lr e g i o n sa r ei nl i n ew i t ht h ew e l l ，w h i c hs h o w sam o d e l o fa m o r p h o u ss i l i c o nt f tc a l lb eu s e dz n s n oa m o n gt h et h e o r e t i c a ls i m u l a t i o n k e yw o r d s ：t h i nf i l mt r a n s i s t o r ；z i n ct i no x i d e ；m a g n e t r o ns p u t t e r i n g ；a n n e a l i n g 浙江大学硕士论文 摘要 浙江大学硕士论文目录 目录 摘要1 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 薄膜晶体管研究背景2 1 2 1 薄膜晶体管发展2 1 2 2 薄膜晶体管在t f t l c d 中应用3 1 2 3 薄膜晶体管在新型显示技术中的应用4 1 3 论文研究意义5 1 4 氧化物薄膜晶体管研究现状8 1 4 1 z n o t f t 8 1 4 2 i n 2 0 3 - t f t 1 0 1 4 3 z n s n o t f t 11 1 4 4 其他非晶氧化物t f t 13 1 5 实验主要测试和研究方法一1 5 1 6 本文研究主要内容及章节安排1 6 参考文献1 8 第二章薄膜晶体管制备和研究2 3 2 1 t f t 的结构和工作原理2 3 2 1 1t f t 基本结构2 3 2 1 2t f t 工作原理2 4 2 1 3t f t 主要性能参数2 6 2 2 氧化物t f t 制作2 7 2 2 1 器件结构和材料选择2 8 2 2 2 栅电极制作( i t o ) 2 9 2 2 3绝缘层制作2 9 2 2 4 有源层制作2 9 浙江大学硕士论文目录 2 2 5 源漏电极制作3 0 2 3 小结3 2 参考文献3 2 第三章z n o 和i n 2 0 3 薄膜晶体管性能测试3 3 3 1 z n o t f t 的制备和研究3 3 3 1 1z n o 材料介绍3 3 3 1 2z n o 薄膜特性测试3 3 3 1 3 z n o t f t 电学特性。3 4 3 2 i n 2 0 3 t f t 的制备和研究3 5 3 2 1 i n 2 0 3 薄膜特性测试3 5 3 2 2 i n 2 0 a t f t 电学特性3 6 3 3 小结3 7 参考文献3 7 第四章z n s n o t f t 的制备和研究3 8 4 1z n s n o 薄膜3 8 4 2 铝a l 作为源漏电极的z n s n o t f t 3 8 4 3 i n 2 0 3 作为源漏电极制作全透明z n s n o t f t 4 1 4 4 同一衬底上器件的均匀性4 5 4 5 器件在扫描电压下的稳定性4 7 4 6 本章小结一4 8 参考文献4 8 第五章非晶态氧化物t f t 模拟4 9 5 1 物理模型4 9 5 1 1非晶硅t f t 模型介绍4 9 5 1 2 模型分析4 9 5 2 特性曲线拟合5 1 5 4 结论5 3 参考文献5 3 浙江大学硕士论文 目录 第六章工作总结和展望5 4 致谢5 5 附录5 7 浙江大学硕士论文目录 浙江大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 2 0 世纪计算机网络技术以及平板显示技术的出现，把人类带入了信息社会， 人类社会从此发生了质的飞跃。纵观信息时代迅猛发展的各项技术，在这些技术 当中，无论计算机网络技术与软件，还是通信技术和其他电子技术，如果没有以 t f t - l c d 为代表的平板显示技术作为人机交互的界面，就构不成现在的信息社 会。而平板显示的核心元件就是薄膜晶体管t f t ( m nf i l mt r a n s i s t o r ) ，一种在 玻璃基底上通过薄膜工艺制作的场效应晶体管器件。 早期传统的阴极射线( c r t ) 显示器件技术早己成熟，而且价格也越来越便宜， 但因其体积太大、重量大、功耗大、以及对人的身体辐射较强等方面原因，限制 了在更广泛的领域中应用【l 】，传统的阴极射线( c r t ) 显示器件也已经逐渐退出历 史舞台了。而目前以薄膜晶体管( t f t ) 为核心的液晶显示器( t f t - l c d ) 以低电压、 低功耗、适宜于电路集成、轻巧便携等优点受到广泛的研究与应用。它无辐射、 全平面、无闪烁、无失真、可视面积大、体积重量小、抗干扰能力强，并且克服 了传统的阴极射线( c r t ) 显示器件视角太小、亮度和对比度不够大等方面缺陷。 薄膜晶体管( t f t ) 在过去的几十年里已经成为电子平板显示行业的核心部 件。这正如在早些时候硅芯片被认为是电子计算机行业少的核心部件一样，如今， 全球几十家大公司每年都要生产出几百万台电子显示器，而每台显示器上都集成 了数百万乃至千万个t f t 器件。 如今，大家所熟悉的薄膜晶体管( t f t ) 的发展历史可以上溯到上世纪6 0 年代 p k w e i m e r 采用多晶态c d s 薄膜作为有源层的器件【2 1 。直到七十年代后期，随着 液晶显示器的发展和有源矩阵概念的出现，这项技术才真正引起了人们的重视。 1 9 7 9 年，l e c o m b e r 等人描述了用非晶硅做有源层的t f t 的特性，这种具有深远 意义的新材料获得广泛关注，并且取得了商业上的成功【3 1 。目前，以非晶硅作为 有源层的t f t 被广泛应用到显示器的器件中。随之而发展的多晶硅t f t 也是也 被广泛的用在一些高端的显示器产品中。 随着技术的发展，人们对显示器的性能提出了更高的要求，而传统的非晶硅 也逐渐暴露出了许多缺点。非晶硅薄膜晶体管迁移率低、光敏性强，多晶硅薄膜 晶体管制备工艺复杂、成本高，同时硅基薄膜晶体管在可见光波段不透明，限制 第l 页 浙江大学硕士论文 第一章绪论 了显示单元开口率的提高【4 】。因此，传统非晶硅和多晶硅暴露出的问题给开发新 型材料t f t 带来了契机。研究新型材料取代传统的非晶硅和多晶硅，从而获得 性能更好、成本更低的t f t 已成为技术发展的趋势，近年来也引起了国内外广 泛的研究。 近几年来，以氧化锌、氧化铟、氧化锡等半导体氧化物及其合金为有源层 的透明薄膜晶体管备受关注，并已取得了突破性进展。这些氧化物是优异的光电 材料，具有高光学透过率、生长温度低、击穿电压高、电子迁移率高等优点，从 而可以获得更好、成本更低的薄膜晶体管，并且也为新型薄膜晶体管的发展带来 了契机。氧化物薄膜晶体管作为极具发展潜力的新型薄膜晶体管，具备了许多传 统t f t 无法比拟的优点，但是也存在诸多问题有待进一步解决。例如，如何解 决外界环境对器件性能的影响，优化工艺从而降低成本，如何制作出性能优越、 具有实用价值的器件等，这些都是现在研究面临的问题。 本文的主要研究对象，包括氧化铟、氧化锌以及氧化锌锡合金作为有源层 的薄膜晶体管。 1 2 薄膜晶体管研究背景 1 2 1 薄膜晶体管发展 薄膜晶体管在当今科技中已经得到了非常广泛的应用，发展速度之快超出想 象。从传统的非晶硅t f t 到多晶硅t f t ，从高温多晶硅t f t 到低温t f t ，技术 越来越成熟，应用对象也从只驱动l c d 发展到既可以驱动l c d 又可以驱动 o l e d 、甚至电子纸。随着半导体工艺水平的不断提高，薄膜晶体管性能越来越 好，显示技术越越加成熟。 1 9 2 5 年，j u l i u se d g e rl i l i e n f e l d 首次提出结型场效应晶体管( f i e l de f f e c t t r a n s i s t o r ， m i s f e t ) t 5 1 。 浙江大学硕士论文第一章绪论 s p e a r 和g h a i t h 用非晶硅( a - s i ) 做t f t 有源层，氮化硅作为绝缘层成功制作出性 能较好的器件。他们制备的t f t 开态电流大约几微安，关态电流大约1n a 7 1 。 2 0 世纪8 0 年代，对c d s et f t 以及多晶硅( p o l y c r y s t a l l i n es i l i c o n ，p - s i ) t f t 也取 得了重大进展。1 9 8 6 年t s t t m u r a 等人首次用聚噻吩为半导体材料制备了有机薄 膜晶体管( o t f t ) ，o t f t 技术从此开始得到发展。九十年代，以有机半导体材 料作为活性层成为新的研究热点。1 9 9 8 年，i b m 公司用一种新型的具有更高的 介电常数的无定型金属氧化物锆酸钡来作为并五苯有机薄膜晶体管的栅绝缘层， 使该器件的驱动电压降低了4v ，迁移率达到0 3 8c m 2 v s 【引。最近几年，随着 透明氧化物研究的深入，以z n o 、i n 2 0 3 等半导体材料作为有源层制作薄膜晶体 管，因性能改进显著也吸引了越来越多的兴趣。越来越多的文献中报道了使用 z n o 9 1 0 1 、i n 2 0 3 【1 1 1 、i i l g a z n o 【1 2 】等作为有源层的薄膜晶体管。氧化物薄膜晶体管 因其在可见光范围内透明、高迁移率以及制备温度低等优点越来越吸引着人们的 注意。 1 2 2 薄膜晶体管在t f t - l c d 中应用 t f t - l c d ( t h i nf i l mt r a n s i s t o r - l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) ，是微电子技术与液晶 显示器技术巧妙结合的一种技术。人们利用在s i 上进行微电子精细加工的技术， 移植到在大面积玻璃上进行t f t 阵列的加工，再将该阵列基板与另一片带彩色 滤色膜的基板，利用与业已成熟的l c d 技术，形成一个液晶盒相结合，再经过 后工序如偏光片贴覆等过程，最后形成液晶显示器( 屏) 。在t f t - l c d 中，t f t 的功能就是相当于一个开关器件。 t f t - l c d 型液晶显示器是在简单矩阵基础上，采用每一个液晶像素设置一 个t f t 开关和信号电荷存储电容的结构形式。图1 1 是有源驱动l c d 一个显 示单元的电路图。 第3 页 浙江大学硕士论文第一章绪论 图1 1 有源矩阵l c d 一个显示单元的电路图 液晶 t f t 在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t f t 打开，存储电容充电，随后t f t 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。图1 2 所示为 t f t - l c d 在扫描信号下的脉冲波形图。与无源矩阵显示器件相比，t f t 的引入 解决了l c d 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。 d a t a g a t e f r a m et i m e n l h p - - k f _ “= 月 图1 2t f t - l c d 在扫描信号下的脉冲波形图 如上述可见，薄膜晶体管( t f t ) 技术在液晶平板显示技术中有着非常重要作 用，事实上它在高分辨率平板显示器件以及其他新型显示技术中也起着关键作 用。 第4 页 浙江大学硕士论文 第一章绪论 1 2 3 薄膜晶体管在新型显示技术中的应用 一，t f t 在o l e d 中的应用 随着科学技术的发展，电子显示技术也在不断地更新换代。从传统的阴极射 线管( c r t ) 发展到了先进的液晶显示器( l c d ) ，现在正向第3 代显示技术过渡， 有机电致发光器件( o l e d ) 作为新一代显示器件，因其具有薄而轻、高对比度、 快速响应、宽视角、宽工作温度范围等优点而引起人们的极大关注 9 1 。 有源o l e d 和有源l c d 的驱动原理是不同的。l c d 是电场型器件，每个像 素只需一个用作寻址开关的t f t 即可；而o l e d 是电流驱动，其亮度与流过它 的电流成正比，通常，除寻址开关外，还须恒流驱动控制开关。所以，根据有机 发光的驱动要求，t f t - o l e d 一般采用两个以上的t f t 器件构成像素电路。图 1 3 表示了一个o l e d 子像素的电路结构。 图1 3 有源矩阵o l e d 一个子像素的电路图 t f t - o l e d 有源驱动的每个像素配备具有开关功能的薄膜晶体管，而且每个 像素配备一个电荷存储电容，外围驱动电路和显示阵列整个系统集成在同一玻璃 基板上。对于选中行，行电极上的电压使得图中左侧的开关t f t 导通，亮度信 号通过该t f t 给存储电容充电，充电电压的大小控制了右侧t f t 的工作状态， 并以此来控制o l e d 的导通电流幅度。扫描下一行时，本行电极上的电压归零， 左侧t f t 关闭，但存储电容上的电压得以保持，在此后整帧时间内，o l e d 上 的驱动电流一直保持不变。这样的驱动方案打破了驱动电流和行数的正比关系， 第5 页 浙江大学硕士论文第一章绪论 o l e d 显示器因此才可以达到和l c d 相似的屏幕面积和分辨率。 与l c d 相同的t f t 结构，无法用于o l e d 。这是因为l c d 采用电压驱动， 而o l e d 却依赖电流驱动，其亮度与电流量成正比，因此除了进行开关切换动 作的选址t f t 之外，还需要能让足够电流通过的导通阻抗较低的小型驱动t f t 。 因此，有必要开发具有高迁移率的低成本t f t 。目前，有源驱动的每个像素配备 具有开关功能的低温多晶硅薄膜晶体管( l tp s it f t ) 。 二、t f t 应用前景 t f t 制造技术是高亮度、高集成度平板显示器件的核心，许多新技术。新 产品、新应用都将以t f t 为核心技术，对人们的生活产生深刻的影响。显示器 产业发展到今天，平板显示器件正在逐渐代替传统的阴极射线管显示器( c r t ) ， 成为市场的主流。而平板显示器件中有源驱动t f t - l c d 又成为主流。此外，在 未来的新型显示技术中，除了t f t - o l e d 外，还有场发射显示器件( s e d ) ，以 及柔性电子技术等等，这些都会广泛的应用到t f t 核心技术。 1 3 论文研究意义 一、传统t f t 技术 为了满足更多的应用需求，人们尝试研究了各种不同半导体材料的t f t 。 从最开始的硫化镉、锡化镉晶体管到非晶硅、多晶硅薄膜晶体管，再到有机薄膜 晶体管，以及氧化物薄膜晶体管，实现硅基到非硅基高迁移率t f t ，薄膜晶体管 性能得到不断提升，从而使得平板显示技术飞速发展。 a 非晶硅t f t 非晶硅( a - s i ) 是目前应用最普遍的薄膜晶体管有源层材料。采用非晶硅材 料制造的t f t 完成了人类显示技术从真空到平板的转型，以非晶硅t f t 为核心 的平板显示技术只是平板显示技术的初级阶段。 非晶硅t f t 制备工艺温度低，成本低，并且适合大面积器件因而应用广泛。 但由于a s i 薄膜存在大量的体缺陷、界面态和局域态，因此其本身的载流子迁 移率就很低【1 0 1 。为了改善器件性能，补偿非晶硅中的缺陷，提高迁移率，需要 在有源层形成过程中的反应气体中加氢，所以它又叫做氢化非晶硅t f t 。非晶硅 第6 页 浙江大学硕士论文第一章绪论 t f t 迁移率低，光敏性强，在可见光范围内是光敏材料，在可见光照射下会产生 额外的光生载流子，从而使得t f t 性能劣化，因此必须增加遮光层【1 1 1 。此外， a - s i 材料是不透明的，用于显示器件时它将占用像素中的一定面积，使有效显示 面积减小，并且其阂值容易发生漂移而导致工作电流变化等，这些缺点导致非晶 硅t f t 已经不能满足新型显示技术的要求了。 b 多晶硅t f t 相对于a - s i 材料，多晶硅q s i ) 材料具有较高的电子迁移率，多晶硅载流子 迁移率比非晶硅高2 3 个数量级，与目前市场上液晶显示器和液晶电视采用的 非晶硅t f t 相比，其开口率更高，分辨率更高，相应速度更快，集成度更高， 功能更强大，可靠性更高【1 2 】。它可以实现驱动电路在基板上的集成，甚至有可 能将整机系统与显示终端集成一体化。多晶硅t f t 可分为高温工艺和低温工艺 两大类。高温多晶硅t f t ( 6 0 0 。c ) i 艺一般只能在较昂贵的石英材料衬底上制 造，工艺简单，造价较高。低温多晶硅t f t ( 5 5 0 接近室温接近室温 稳定性一般较好差好 迁移率( c m 2 v s ) 1 0 61 2 气快速退火氧化s i 0 2 第9 页 浙江大学硕士论文第一章绪论 韩国y o n s e i热氧化 u n i v e r s i t y t 2 0 】 2 0 0 4磁控溅射2 0 0 5 1 0 6o 6 s i 0 2 日本东京大 s c a l m 9 0 4 1 0 67 0 学【2 1 】 2 0 0 4分子束外延7 0 0 晶体 恳人不u 2 0 0 5脉冲激光蒸发5 5 0 sr ，n 0 3 1 0 63 0 l a m i 2 2 韩国科学技 磁控溅射 术研究酣2 3 】 2 0 0 6磁控溅射室温 b i l 5 z n l o n 2 4 1 0 41 1 3 b 1 s 0 7 韩国a j o h 2 0 0 8 金属化学气相 4 5 0 s i 0 2 1 0 71 5 u n i v e r s i t y t 2 4 】 沉积 韩国 原子层沉积 7 0 热氧化 1 0 6 8 8 2 l o 。3 h a n y a n g 2 0 0 9 ( a l d )1 3 0 s i 0 2 u n i v e r s i t y t 2 5 】 磁控溅射( 热 热氧化日本 2 0 0 9处理和激光退室温 1 0 61 2 k o g a n e i 2 6 】 s i 0 2 火处理) 中国上海大磁控溅射 掣2 7 】 2 0 0 9磁控溅射 室温 1 2 2 1 0 76 0 4 t a 2 0 5 日本仙台国 立学院【2 8 】2 0 1 0 低压化学气相 5 0 0 热氧化 1 0 66 沉积s i 0 2 表1 2 文献报道的z n o - t f t 研究情况 从表1 2 中可以看出，日本东京大学【2 1 1 和中国上海大学【2 7 1 所制作的t f t 是 所有中迁移率最高的，但他们都是采用了非常规的高介电常数的绝缘层材料，制 作成本高，不适合大尺寸器件的制备。意大利l a i i l i 川和韩国a j o hu n i v e r s i t y t 2 4 】 以及日本仙台国立学院【2 8 】都采用的非常规的方法制作有源层材料，但这些制备 温度都普遍较高，也不适合大尺寸器件的制备。韩国h a n y a n gu n i v e r s i t y t 2 5 1 虽然 工艺温度接近室温，但采用的是a l d ( a t o m i cl a y e rd e p o s i t i o n ) 技术制作，a l d 是近年来发展起来的一种高端薄膜沉积技术，成本高，也不适合大尺寸器件的制 备。可以看出，从2 0 0 2 年至今，z n o - t f t 的制作技术越来越成熟，绝缘层材料 和制备方法也在不断创新，使得器件性能有了很大的提高。 尽管z n o t f t 表现出高迁移率、高透过率等优点，但是z n o 薄膜大都是多 第1 0 页 浙江大学硕士论文第一章绪论 晶结构的模式生长。晶粒不均匀性和晶粒间界的存在导致器件工作稳定性及大面 积制备的一致性变差。 1 4 2i n 2 0 3 一t f t 1 n 2 0 3 和z n o 一样也是一种宽禁带的氧化物半导体材料，但由于i n 2 0 3 中的 i i l 是一种稀有金属，价格昂贵，因此对i n 2 0 3 t f t 的报道和研究没有z n o t f t 那么的广泛和深入，但由于其优良的电学性能，还是引起了人们对其的关注。此 外，也有关于用s n 0 2 作为有源层来制作t f t 的研究，表1 3 显示了近期的i n 2 0 3 、 s n 0 2 等t f t 一些研究结果： 有源层制备方工艺温栅绝缘层迁移率 研究机构年份开关比 法 度材料c m 2 v s 美国 离子辅助沉积有机纳米 n o r t h w e s t e r n2 0 0 6 室温1 0 s 1 2 0 u n i v e r s i t y l 2 9 】 i n 2 0 3超晶格 葡萄牙 离子束辅助电 i s e l l 3 0 1 2 0 0 9子束蒸发室温 p e c v d 1 0 93 3 1 n 2 0 3 s i 0 2 中国宁波材磁控溅射磁控溅射 料研究所【3 1 】 2 0 1 0 室温i o s4 3 5 i n 2 0 3 y 2 0 3 中国华中科 激光消融 技大学圈 2 0 1 1c v d 纳米线 室温 原子层沉 1 0 52 4 3 i n 2 0 3 积a 1 2 0 3 美国 u n i v e r s i t yo f 2 0 0 7 催化剂合成t a 室温 s i 0 2 1 0 51 0 0 掺杂s n 0 2 m i c h i g a n 3 3 】 中国湖南大磁控溅射s b p e c v d 学【3 4 】 2 0 0 9室温3 1 0 41 5 8 掺杂s n 0 2s i 0 2 表1 3 近期文献报道的m 2 0 3 、s n o r f t 研究情况 从表1 3 中可以看出，高i i l 含量的t f t 器件迁移率都比较高，说明基于i n 系氧化物的t f t 在达到高场致迁移率方面有充分的发展潜力。美国n o r t h w e s t e r n u n i v e r s i t y 2 9 1 所制备的i n 2 0 3 t f t 迁移率大于1 2 0c m 2 v s ，是由于采取了有机纳 米超晶格绝缘层的缘故，制备方法复杂，实用价值不高。中国华中科技大学【3 2 1 第1 1 页 浙江大学硕士论文 第一章绪论 采用纳米线i n 2 0 3 也获得了很高的迁移率( 2 4 3c m 2 v s ) ，将有源层刻成纳米线需 要技术和成本都很高，目前还不适合大面积制备。美国u n i v e r s i t yo f m i c h i g a n t 3 3 】 和中国湖南大学【3 4 】都采用的掺杂的方法制备了s n 0 2 - t f t ，迁移率也非常高，掺 杂的目的是基于无掺杂的s n 0 2 有着较低的载流子浓度，并且对环境敏感。 i n 2 0 3 、s n 0 2 - t f t 都有着很高的迁移率，但其制备方法和器件性能还有待改 “ 吾o 1 4 3z n s n 0 一t f t z n o 、i n 2 0 3 、s n 0 2 等薄膜很容易形成多晶态，存在不可忽视的大量晶界和 氧缺陷，并且形成器件后稳定性差，i v 特性随时间变化显著，这些都阻碍了其 进一步发展。 z n s n o 薄膜一般呈现非晶态，但还保证比较高的电子迁移率。东京工业大 学的研究小组【3 5 】提出一种理论，认为只有金属离子的外层电子结构为( n 1 ) d l o d s o 的金属氧化物才能够在材料分子比较无序的状态下还保证比较高的电子迁移率。 该理论认为这类金属氧化物的导带底都是由金属离子的s 轨道构成的，因为电 子的s 轨道分布是球形的，轨道半径比较大，所以即使在原子排列比较无序的 情况下，电子在原子之间传输仍然没有太大的阻碍。满足离子的外层电子结构为 m 1 ) d l o n s o 的元素集中在元素周期表中有c u 、z n 、g a 、g e 、a s 、i n 、s n 、s b 等 等。按照这个理论，这其中离子半径越大的元素，其氧化物就越满足预设条件， 电子在其中的传输就越不容易受到阻碍。即使这些氧化物是处在非晶态薄膜的状 态下，电子也能在其中保持很高的迁移率。这一点正是t f t 器件中半导体材料 所需要的性质，因此对这个金属