（凝聚态物理专业论文）低压双电层氧化物薄膜晶体管的研究.pdf

1 i n s t i t u t i o no f l o w v o l t a g ee l e c t r i c d o u b l e l a y e ro x i d e b a s e dt h i n f i l m t r a n sis t o r s b y l ua i x i a b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 6 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f d o c t o ro fs c i e n c e c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw a n q i n g m a y , 2 0 1 1 l，bi 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 了客瞻霞 日期：汐f f 年石月 e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在 年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名：融陬寅 导师签名： 日期：弘年6 月 日 e l 期：如1 1 年么月z 日 博l 学位论文 摘要 近年来，宽带隙氧化物半导体薄膜晶体管具有高迁移率，低温工艺，与柔性 衬底兼容性好且能大面积生产、低成本等优势，引起了广泛的研究兴趣。由于它 们通常需要比较大的工作电压才能获得高的输出电流与高迁移率，因此寻求新型 的低压薄膜晶体管已经成为近几年的研究热点之一。低压工作的氧化物薄膜晶体 管可以有效的减小器件和电路的功耗，在便携式电子学领域具有潜在的应用价值。 本文采用等离子增强化学气相沉积( p e c v d ) 、磁控溅射等方法制备了双电层低压 氧化物薄膜晶体管，并对不同衬底，不同沟道，不同工艺下的薄膜晶体管的制备 以及电学性能进行了研究，取得的主要研究成果有以下几方面： ( 1 ) 采用磁控溅射和p e c v d 沉积技术，在全室温工艺条件下以硅片为衬底制备 底栅结构的铟锡氧化物( i t o ) 薄膜晶体管。栅介质二氧化硅( s i 0 2 ) 是采用p e c v d 技术，硅烷( s i l l 4 ) 和氧气( 0 2 ) 作为的反应气体制备的。这个条件下沉积的s i 0 2 为介孔疏松状，并含有大量的质子，为双电层的形成提供了有利的条件。双电层 电容高达2 1 4p f c m 2 ，使得器件的工作电压为1 5v 。通过对双电层i t o 薄膜晶体 管的电学性能进行分析，得到器件的饱和迁移率、亚阈值摆幅和开关电流比分别 为1 1 8c m 2 v s ，9 2m v d e c a d e ，5 1 0 6 。 ( 2 ) 采用磁控溅射和p e c v d 沉积技术，全室温工艺条件下制备了底栅结构的 z n o 基透明薄膜晶体管。由于双电层栅介质存在，器件的工作电压在1 5v 以下。 通过对z n o 基薄膜晶体管的电学性能进行分析，器件的饱和迁移率、亚阈值摆幅 和开关电流比分别为1 4 9c m 2 v s ，8 2m v d e c a d e ，2 1 0 6 。同时也研究了可见光 照对z n o 基t t f t 性能的影响，当有可见光照时，器件的关断电流会变大，并且 阈值电压有微小的变化，总的来说，可见光照对器件的性能影响不是很明显。 ( 3 ) 采用磁控溅射和p e c v d 沉积技术，在全室温工艺条件下制备了底栅结构的 i t o 透明薄膜晶体管，并研究了制备沟道时氧气含量对i t ot t f t 电学性能和光学 性能的影响以及i t ot t f t 在空气中放置时间对i t ot t f t 电学性能的影响。研究 结果表明，随着沟道氧气含量的增加，器件沟道的导电性逐渐变差，阈值电压从 负向移动到正向；随着器件在空气中放置的时间增加，器件的工作电压会随之增 加，器件的阈值电压向正向漂移。 ( 4 ) 采用单掩模自组装工艺，磁控溅射和p e c v d 沉积技术，全室温条件下制 备了底栅结构的共平面同质结i t o 透明薄膜晶体管。i t o 沟道与i t o 源、漏电极 同时沉积，形成了共平面同质结，减小了电极与沟道之间的接触电阻。单掩模自 i i 低压双电层氧化物薄膜晶体管的研究 组装法制备的i t ot t f t 的性能优越，开关比达到4 x1 0 6 ，亚阈值摆幅为0 1 2 v d e c ，且器件的工作电压在1 5v 以下。随着沟道厚度的减小，阈值电压向正向 移动，由负值逐渐变化为正值 ( 5 ) 采用单掩模自组装工艺，磁控溅射和p e c v d 沉积技术，在全室温条件下 制备了底栅结构的共平面同质结i t o 柔性纸张薄膜晶体管。由于双电层栅介质的 应用，器件的工作电压在1 5v 以下。单掩模自组装法制备的i t o 纸张t f t 的开 关比达到3 1 0 5 ，亚阈值摆幅为o 1 6v d e c ，迁移率高达到2 5 5c m 2 v s 。通过对 此器件弯曲后电学性能的研究，得到了器件的迁移率，亚阈值摆幅，开关比以及 阈值电压分别为1 9 1c m z v s ，0 1 6v d e c ，1x1 0 5 以及0 7 3v 。 关键词：薄膜晶体管；氧化物；柔性纸张电子学；低压：双电层；单掩模自组装； 共平面同质结 i l l 。- _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ 一 博上学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , w i d eb a n d g a p - b a s e do x i d et h i n - f i l mt r a n s i s t o r s ( t f t s ) h a v eb e e n e x t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e db e c a u s eo ft h e i rh i g he l e c t r o nm o b i l i t ya n dl o wp r o c e s s i n g t e m p e r a t u r e ，m a k i n gt h e mc o m p a t i b l ew i t hf l e x i b l es u b s t r a t e sa n db e c a u s et h e yc a nb e p r o c e s s e da tl o wt e m p e r a t u r e st op r o d u c el a r g e a r e ad i s p l a y sw i t ht h ep o t e n t i a lo fl o wp r o d u c t i o n c o s t s h o w e v e r , t h e yu s u a l l yr e q u i r el a r g ev o l t a g et oa c h i e v eh i g ho u t p u tc u r r e n t sa n d h i g hm o b i l i t e s t f t so p e r a t e di nl o w - v o l t a g eh a v ea t t r a c t e dm u c ha p p l i c a t i o nb e c a u s e t h e yc a nr e d u c et h ep o w e rc o n s u m p t i o no fc i r c u i t se f f e c t i v e l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ， l o w v o l t a g ee l e c t r i c d o u b l e l a y e r ( e d l ) t f t sw i t hd i f f e r e n tc h a n n e ll a y e r sh a v eb e e n f a b r i c a t e do nd i f f e r e n ts u b s t r a t e sa n dd i f f e r e n tm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e sb ym a g n e t i c s p u t t e r i n ga n dp 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 e d ( p e c v d ) m e t h o d sa tr o o m t e m p e r a t u r e ，a n d t h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h et f t sh a v e b e e ns t u d i e d s y s t e m a t i c a l l ya n dt h er e s u l t sa r es u m m a r i z e db e l o w f i r s t l y , b o t t o m - g a t e di t ot f t sw e r ef a b r i c a t e db ym a g n e t i cs p u t t e r i n gm e t h o do n n t y p es i l i c o ns u b s t r a t e sa tr o o mt e m p e r a t u r e s i 0 2g a t ed i e l e c t r i cw a sd e p o s i t e db y p e c v du s i n gs i l l 4a n d0 2a st h er e a c t i v eg a s e s d u r i n gt h ed e p o s i t i o no fs i 0 2 ，t h e r e a c t i o nb y p r o d u c t sw i t hp r o t o n sw e r ee x i s t e di nt h em e s o p o r o u ss i 0 2a n dw h e na n e l e c t r i cf i e l da p p l i e da c r o s st h eg a t ed i e l e c t r i c ，t h em o b i l ep r o t o n sm o v e da l o n gt h e e x t e r n a le l e c t r i cf i e l d t h em o t i o no ft h ep r o t o n si sb e n e f i c i a lt of o r me l e c t r i cd o u b l e l a y e r t h ei t ot f tw o r k e da tal o wv o l t a g eo f1 5v d u et ot h el a r g ec a p a c i t a n c eo f 2 141 t f c m z t h es a t u r a t i o nm o b i l i t y , s u b t h r e s h o l ds w i n ga n do n o f fc u r r e n tr a t i oo f t h ee d li t ot f tw e r e118c m z v s ，9 2m v d e c a d e ，5 10 0 r e s p e c t i v e l y s e c o n d l y , b o t t o m g a t e dz n ot t f t sw e r ef a b r i c a t e db y m a g n e t i cs p u t t e r i n g m e t h o do ng l a s ss u b s t r a t e sa tr o o mt e m p e r a t u r e t h ez n ot t f tw o r k e da tal o w v o l t a g eo f1 5vb e c a u s ez n ot t f tw a sg a t e db ye d lg a t ed i e l e c t r i c t h es a t u r a t i o n m o b i l i t y , s u b t h r e s h o l ds w i n ga n do n o f fc u r r e n tr a t i oo ft h ee d l i t ot f tw e r e14 9 c m 2 v s ，8 2m v d e c a d e ，2 10 6 ，r e s p e c t i v e l y t h ei n f l u e n c eo fv i s i b l el i g h ti r r a d i a t i o n o nt h ee l e c t r i c a lp e r f o r m a n c eo ft h ed e v i c ew a sa l s oi n v e s t i g a t e d w h e nt h el i g h tw a s t u r n e do n ，as m a l ld e c r e a s eo ft h eo n o f f r a t i oa n dt h es a t u r a t i o ne l e c t r o nm o b i l i t yw e r e o b s e r v e d t h i r d l y , b o t t o m - g a t e di t ot t f t sw e r ef a b r i c a t e db ym a g n e t i cs p u t t e r i n gm e t h o d 低压双电层氧化物薄膜晶体管的研究 o ng l a s ss u b s t r a t e sa tr o o mt e m p e r a t u r e t h ei n f l u e n c eo fo x y g e nc o n t e n ta n dt h e l e n g t ho fe x p o s u r et o a i r a t m o s p h e r eo nt h e e l e c t r i c a lp e r f o r m a n c ea n do p t i c a l t r a n s m i t t a n c eo ft h ei t ot t f t sw e r ei n v e s t i g a t e d t h ev a l u eo ft h r e s h o l dv o l t a g e s h i f t e df r o mn e g a t i v et op o s i t i v ew i t ht h ei n c r e a s eo fo x y g e nc o n t e n t w h e nt h el e n g t h o fe x p o s u r et oa i ra t m o s p h e r ei n c r e a s e d ，t h eo p e r a t i n gv o l t a g eo ft h et f tw o u l d i n c r e a s ea n dt h ev a l u eo ft h r e s h o l dv o l t a g es h i f t e df r o mn e g a t i v et op o s i t i v e f o u r t h l y ，as e l f - a s s e m b l i n gd i f f r a c t i o nm e t h o dw a sd e v e l o p e df o rl o w - v o l t a g e c o p l a n a rh o m o j u n c t i o nt t f tf a b r i c a t i o n i nt h i so n e - s h a d o w m a s kp r o c e s s ，ac h a n n e l l a y e rc a nb es i m u l t a n e o u s l ys e l f - a s s e m b l e db e t w e e ni t os o u r c e d r a i ne l e c t r o d e s d u r i n gm a g n e t r o ns p u t t e r i n gd e p o s i t i o n i t ot f t ss h o w e da nu l t r a l o wo p e r a t i o n v o l t a g eo f1 5v as m a l ls u b t h r e s h o l ds w i n go f0 12v d e c a d ea n dal a r g eo n o f f r a t i o o f10 6w e r eo b t a i n e d a st h et h i c k n e s so ft h ec h a n n e ll a y e rd e c r e a s e ，t h ev a l u eo f t h r e s h o l dv o l t a g es h i f t e df r o mn e g a t i v et op o s i t i v ed i r e c t i o n f i n a l l y , f l e x i b l el o w - v o l t a g ee d lt f t sw i t hap a t t e r n e di t oc h a n n e lw e r e s e l f - a s s e m b l e do np a p e rs u b s t r a t e sb yo n l yo n es h a d o wm a s ka tr o o m t e m p e r a t u r e t h e o p e r a t i o nv o l t a g ew a s1 5v w h e nam i c r o p o r o u ss i 0 2s o l i de l e c t r o l y t ew i t hl a r g ee d l c a p a c i t a n c ew a su s e da st h eg a t ed i e l e c t r i c s u c hf l e x i b l et f t so p e r a t e dah i g h m o b i l i t yo f2 5 5c m z vs ，al o ws u b t h r e s h o l ds w i n go f0 16v d e c a d e ，a n dah i g h c u r r e n to n o f fr a t i oo f3x10 5 t h ei n f l u e n c eo fm e c h a n i c a lb e n d i n gt ot h ee l e c t r i c a l p e r f o r m a n c eo ft h ef l e x i b l ee d lt f t sw a s si n v e s t i g a t e d a f t e rb e n d i n g ，t h es a t u r a t i o n m o b i l i t y , s u b t h r e s h o l ds w i n g ，o n o f fc u r r e n tr a t i oa n dt h r e s h o l dv o l t a g eo fi t ot f t w e r e1 9 1c m 2 v s ，0 1 6v d e c a d e ，1 1 0 5a n d o 7 3v ，r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：t h i n - f i l mt r a n s i s t o r ；o x i d e ；f l e x i b l ep a p e re l e c t r o n i c s ；l o wv o l t a g e ； e l e c t r i cd o u b l e l a y e r ；o n e - s h a d o w m a s k s e l f - a s s e m b l e d m e t h o d ； c o p l a n a rh o m o j u n c t i o n v 博士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i v 第l 章绪论1 1 1 引言l 1 2 薄膜晶体管的发展现状2 1 2 1 不同半导体沟道t f t 的性能比较2 1 2 2 氧化物半导体t f t 的综述3 1 3 晶体管的分类及工作原理7 1 3 1 晶体管的分类7 1 3 2 薄膜晶体管的工作原理：8 1 3 3 薄膜晶体管的电学性能分析9 1 4 薄膜晶体管的应用1 0 1 4 1 薄膜晶体管在l c d 中的应用1 0 1 4 2 薄膜晶体管在o l e d 中的应用1 2 1 4 3 薄膜晶体管在传感器中的应用1 3 1 5 本文的选题依据1 3 1 6 本文主要研究内容以及章节的安排1 6 第2 章低压双电层i t o 薄膜晶体管1 8 2 1 引言18 2 2 实验部分18 2 2 1 磁控溅射法18 2 2 2 等离子体增强化学气相沉积技术2 0 2 2 3 双电层i t o 薄膜晶体管的制备2 0 2 3 实验结果与讨论2 2 2 3 1i t o 薄膜的分析一2 2 2 3 2 介孔s i 0 2 薄膜的分析2 4 2 3 3 双电层的i t o 薄膜晶体管的性能分析2 7 2 4 本章小结3 0 第3 章低压双电层透明z n o 薄膜晶体管。3 2 3 1 引言3 2 v i 低压双电层氧化物薄膜晶体管的研究 3 2 实验试剂和设备3 3 3 3 低压透明z n o 双电层薄膜晶体管的制备3 3 3 4 实验结果与讨论3 4 3 4 1z n o ：a 1 薄膜的结构和形貌分析3 4 3 4 2z n o ：a i 薄膜的电学和光学性能的分析3 5 3 4 3 介孔s i 0 2 的形貌和成分分析3 6 3 4 4 介孔s i 0 2 的电学性能分析3 7 3 4 5 透明z n o ：a i 薄膜晶体管的性能以及光照对其性能的影响3 9 3 4 6 透明z n o ：a 1 薄膜晶体管的工作机理4 2 3 5 本章小结4 2 第4 章低压双电层i t o 透明薄膜晶体管4 3 4 1 引言4 3 4 2 实验试剂和设备4 3 4 3i t o 透明薄膜晶体管的制备4 3 4 3 1i t o 透明薄膜晶体管的结构：4 3 4 3 2i t o 透明薄膜晶体管的制备一4 4 4 4 实验结果与讨论4 5 4 4 1 不同氧压下制备的i t ot t f t 的电学性能。4 5 4 4 2i t ot t f t 的透光率4 9 4 5i t o 透明薄膜晶体管的稳定性一5 0 4 6 本章小结5 5 第5 章单掩模自组装低压双电层i t o 透明薄膜晶体管5 6 5 1 引言5 6 5 2 实验试剂和设备5 6 5 3 单掩模自组装i t o 透明薄膜晶体管的制备过程5 6 5 4 实验结果与讨论5 8 5 4 1 单掩模自组装i t ot t f t 的沟道与电极薄膜5 8 5 4 2 介孔s i 0 2 的电学性能分析6 1 5 4 3 单掩模自组装i t ot t f t 的电学性能分析6 1 5 4 4 单掩模法制备的不同沟道厚度i t ot t f t 的电学性能分析6 4 5 5 本章小结。6 5 第6 章单掩模自组装低压i t o 纸张薄膜晶体管6 7 6 1 引言6 7 6 2 实验试剂和设备6 7 6 3 单掩模自组装i t o 纸张薄膜晶体管的制备过程6 8 v h 博j ：学位论文 6 4 单掩模自组装i t o 纸张薄膜晶体管的性能分析6 9 6 4 1 纸张薄膜晶体管沟道与电极的形貌与电学性能分析6 9 6 4 2 纸张上s i 0 2 的形貌分析及电学性能分析7 0 6 4 3 单掩模自组装i t o 纸张晶体管的电学性能分析一7 l 6 4 4 单掩模自组装i t o 纸张晶体管弯曲后的电学性能分析7 5 6 5 本章小结7 6 结论7 7 参考文献8 0 致谢1 0 0 附录a 攻读学位期间发表的学术论文情况1 0 1 v i i i 博卜学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 在当今信息化的时代，各种精密电子产品不断普及以及发展，在人和各种电 子产品间起着桥梁作用的显示器件以及电子传感器件的发展显得尤为重要。所以 平板显示器件和传感器件正是这种趋势下的产物。为了得到高性能的显示器和传 感器，有源矩阵辅助驱动便能提高并获得最佳的器件性能。有源矩阵的核心元器 件就是薄膜晶体管( t f t ，t h i nf i l mt r a n s i s t o r ) ，所以高性f l 邑t f t 研究的必要性越 来越被人们所认识。 半导体晶体管起源于二十世纪四十年代，h b a d e e 等人首次报道了基于锗 ( g e ) 的双极型晶体管。此后，19 4 5 年，贝尔实验室研究出了第一个场效应晶 体管( f e t ，f i e l d e f f e c t t r a n s i s t o r ) ，从此对晶体管的研究便一直延续下来。1 9 6 2 年，w e i m e r 心3 采用硫化镉( g d s ) 作为半导体层，成功的研制出了世界上第二个 t f t ，随之，又出现了其它半导体硒化镉( c d s e ) 口3 ，锑化铟( i n s b ) h3 等作为 沟道材料的t f t 器件。t f t 凭借其重量轻、体积小、耗电省以及寿命长等优点被 广泛的应用于各类电子产品的电路中，并兴起了对t f t 的研究。于是在过去的六、 七十年里，基于无机半导体材料的t f t s 实验进展非常迅速，几类具有代表性的 无机t f t 已得到了广泛应用_ 引。一是直接带隙半导体材料( 如单晶g e 、砷化镓 g a a s ) 表现出极高的载流子迁移率( 约l0 4c m 2 v s ) ，一般用来实现高速电路； 二是间接带隙半导体( 如单晶硅s i ) ，其迁移率稍低( 约1 0 3c m 2 v s ) ，也可以满足 一般高速电路的需求，且单晶s i 的m o s f e t 已应用在计算上。直到上世纪七十 年代，液晶显示器和传感器的发展以及有源矩阵概念的出现，t f t 技术才真正引 起了许多研究人员的重视。19 7 9 年，以非晶硅( a s i ) 为半导体沟道层的t f t 技 术一经提出便获得了广泛的关注n 4 1 朝，且获得了商业化的应用，在液晶显示( l c d l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 以及晶体管传感器方面都有着很大应用价值。到九十年 代，有机半导体活性层晶体管( o t f t ) 成为了新的热点问题，也获得了一些突 破性的研究成果，在有源矩阵有机发光二极管显示( a m o l e d ) 上发挥了极大 的作用n 卜埘。近十年来，宽禁带氧化物t f t 又引起了广泛的关注，并在进一步的 优化中乜0 2 引。作为显示应用，每个大面积有源矩阵显示阵列中都包含了几百万个 像素，每一个像素就包含一个控制液晶开关的t f t ，这就要求t f t 技术与l c d 工 艺相互兼容、适合大面积生产，且价格又比较低廉的t f t 制备技术；同样在t f t 传感器的应用中，t f t 阵列也起到了至关重要的作用。所以要发展显示和传感技 低压双电层氧化物薄膜晶体管的研究 术必须先研制出高性能的t f t 器件。 1 2 薄膜晶体管的发展现状 1 2 1 不同半导体沟道t f t 的性能比较 为了满足不同产品的应用需要，许多研究小组对各种不同半导体沟道的t f t 以及对t f t 工艺方面都作了很多的研究。从七十年代硅基薄膜晶体管发展起来至 今，有机半导体，氧化物半导体等多种半导体材料的t f t 被陆续的研究了，为了 对这几种代表性的t f t s 有较好的理解，我们对其性能进行了比较。 硅基半导体沟道t f t 器件经历了单晶硅( c s i ) 心7 1 、非晶硅n t1 5 1 、多晶硅( p c s i ) 乜町以及微晶硅( g c s i ) 乜钉等发展历程。由于单晶硅的室温硬且脆的性质阻碍了 其在微电子集成工艺上的应用。非晶硅( a s i ：h ，一般为氢化后) 能够低温大面 积且低成本的沉积，所以在t f t ，太阳能电池，传感器等电子器件上得到了广泛 的应用。以a s i ：ht f t 为开关的有源矩阵液晶显示器( a m l c d ) 是当今显示应 用的主流。但是新型的有源矩阵驱动的器件，采用a - s i ：h 为半导体层的t f t 器件 也存在一些问题：a - s i ：ht f t 器件的开态电阻比较大，场效应迁移率较低，给需 要大电流器件的应用带来了较大的麻烦，在可见光照下易形成光生载流子，其稳 定性方面还有待于提高们。为了解决这方面的问题，p c s i 作为a s i 的替代品的研 究就引起了关注。p c s i 易于实现重掺杂，所以p c s it f t 可以采用离子注入的方 法使其形成重掺杂的p c s i 源漏区，并且可以采用自对准技术，减小栅极与源、 漏之间的寄生电容，从而使得t f t 的响应速度更快，容易高度集成化等性能得到 大幅度的提高。同时这种材料对光的敏感性不强，抗光干扰的能力强。p c s i 的 制备有高温工艺和低温工艺两种方法。高温工艺是采用石英衬底，工艺简单，但 是成本比较高；低温工艺制备成本比较低，但是工艺比较复杂。目前低温工艺的 方法主要有：金属诱导横向晶化法、准分子激光退火法、固相晶化法等。但是p c s i t f t 也存在自身的问题，一是p c s it f t 的关态电流比较大，二是高迁移率的p c s i 材料大面积低温制备比较困难，在产业化生产工艺上存在一定的困难。p c s i 是 介于a s i 和p c s i 之间的一种半导体材料，在工艺上与a s it f t 工艺相容，同时还 具有与a s i 差不多可以大面积制备的优势。近来c s it f t 的技术发展比较迅速， 不过也引起了一些问题。在c s i 薄膜的制备过程中，柱状生长模式会导致电学 性能的不均匀性，源漏电极与“c s i 沟道的接触电阻比较大，底栅结构的t f t 器件 沟道的界面问题也有待解决。由于存在着这些问题，p c s it f t 还没有广范围的 在实际产品中应用阳1 j 剀。 与无机t f t 的研究相比较，有机半导体材料t f t 的研究稍微晚一些口引。有机 半导体材料相对而言比较廉价，制备温度比较低，且适合应用到柔性大面积的显 博七学位论文 示等器件中。随着对其研究的深入，有机半导体材料的t f t 器件的局限性就显现 出来了，例如大量的缺陷态的存在使得载流子浓度很低，并且稳定性较低，容易 受到外界环境的影响。虽然在1 9 9 7 年，l i n 钉等人采用并五苯作为沟道的o t f t 已经取得了突破性的成功，比传统的o t f t 的性能提高了许多，但这也只是个例， 并没有形成大规模的量产，所以o t f t 的这些缺陷就限制了其在市场上大规模的 应用。 由于上述几种t f t 都存在着上所的一些缺陷，并且这些缺陷严重阻碍了t f t 的应用，最近十年，金属氧化物作为沟道的t f t 器件就是在这样的背景下出现的。 由于这些氧化物t f t 在性能上的改善非常显著，所以在这个行业里引起了越来越 多的关注，因此对氧化物t f t 的研究也成为了一个新的热点口5 。3 引。这些氧化物t f t 存在着的很多的优点，例如：氧化物t f t 是可以在低温下制备的，甚至在室温下， 因此适合用在任何衬底上，包括廉价的玻璃，塑料衬底或者是纸张衬底，为柔性 器件提供了良好的制备基础；金属氧化物多为透明的氧化物，采用这些氧化物可 以制备全透明的器件；其最大的优点还在于氧化物t f t 的迁移率较高，开关比也 较大，所以输出的驱动电流较大，器件的响应速度也较快。，且由于金属氧化物的 制各技术非常成熟，标准的磁控溅射技术就可以实现，所以制备成本比较低，并 且适合大面积生产h 捌。表1 1 对不同沟道材料t f t 的性能作出了比较。 表1 1 不同沟道材料的t f t 性能的比较 1 2 2 氧化物半导体t f t 的综述 氧化物半导体t f t 的研究是从1 9 6 8 年第一个氧化锌薄膜晶体管( z n ot f t ) 低压双电层氧化物薄膜晶体管的研究 的问世开始的h 。它是一个锂掺杂的单晶氧化锌器件，其输出特性曲线并不足 以证明这个器件是真正意义上的t f t ，因为这个器件没有饱和特性，栅压也不能 调控使其关断。但是其源漏电压特性展示了负的曲率特性，说明漏电压产生了 t f t 工作中的负反馈，栅电压对漏电流产生了一定的调控作用。经过了一个很长 的酝酿期，直到2 0 0 3 年，具备高场效应迁移率的氧化物半导体t f t 才开始被广 泛的研究。随着m a s u d a 小组，h o f f m a n 小组，c a r c i a 小组的三篇有关z n ot f t 和透明薄膜晶体管( t t f t ) 的报道发表，2 0 0 3 年迎来了氧化物半导体t f t 的发 展。m a s u d a h 8 1 小组采用脉冲激光沉积法，在衬底温度为4 5 0 和在氧氛围的条 件下沉积了低载流子浓度( 5 x 1 0 1 6c m 。3 ) 的z n o 沟道层的底栅结构t f t ，他同 时制备了玻璃衬底和硅片上的t t f t 和硅衬底t f t ，其中t t f t 的透光率大于 8 0 。从性能上来讲，t t f t 的要比硅衬底的t f t 要差一些，且t t f t 为耗尽型， 没有完全饱和，负的栅压也不能使其完全关断。硅衬底的t f t 通过对沟道层的 载流子浓度控制，既可以是增强型也可以是耗尽型的工作模式，且容易达到硬饱 和，比较接近理想的t f t 。h o f f m a n h 们等人采用离子束溅射沉积1 0 0n m 的z n o 沟道制备了z n o t f t ，采用底栅结构，用铟锡氧化物( i t o ) 作为栅极和源漏电 极，采用原子层外延法生长的2 2 0n m 厚的铝钛氧化物( a t o ) 作为栅绝缘层。 制备完以后对其进行退火，获得的阈值电压( 巧i i ) 为1 0 - 2 0v ，场效应迁移率( 咫) 的范围为0 3 2 5c m 2 v s ，器件的开关比为1 0 7 。c a r c i a 随们等人在近室温的条件下 采用射频磁控溅射法在硅衬底上沉积z n o 半导体沟道制备出z n ot f t ，器件展 示了良好的电学性能，其场效应迁移率大于2c m z v s ，开关电流比大于1 0 6 。z n o 薄膜的制备过程中没有加热，这证明了z n ot f t 低温工艺的可行性，为z n ot f t 在实现对温度敏感衬底( 如柔性电子器件) 中的应用奠定了基础。在m a s u d a ， h o f f m a n ，c a r c i a 等人的论文发表出来几个月后，n i s h i i 3 等人提出了一种改进 z n ot f t 电学性能的方法，当处理温度为3 0 0 时，场效应迁移率可提高至7 c m 2 v d s 一，处理温度为1 5 0 时，沟道迁移率为2c m z v 。1 s 一，且对部分耐温的聚 合物衬底工艺具有兼容性。这种t f t 的器件材料、结构、尺寸以及处理温度都 和a m l c d s 中的