（物理电子学专业论文）氧化锌薄膜晶体管的研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 摘要 摘要 氧化锌作为一种新型的宽禁带半导体材料，在电子显示领域有巨大的潜在的市场价值。 本文在详细研究氧化锌材料特性的基础上结合国际最新的研究方向开展了氧化锌薄膜在电子 显示领域尤其是薄膜晶体管在显示技术方面的研究。 通过研究我们发现，氧化锌薄膜在具备很好的延展性和透明性的同时，电学性能突出。 针对氧化锌薄膜，我们采用射频溅射的方法，制备并研究了在不同的气体溅射氛围下，不同 的衬底温度下，氧化锌薄膜的特性的变化。研究表明，适量的氧气浓度和衬底温度对提高氧 化锌薄膜质量有很好的帮助，但过高的氧气浓度和衬底温度将导致薄膜内部缺陷增多，降低 了薄膜质量。 在薄膜特性研究的基础上，制备了氧化锌薄膜晶体管。通过对不同氧气氛围，不同衬底 温度，不同氧化锌薄膜厚度情况下的晶体管电流电压特性进行了测量，通过对比，我们发现 优化薄膜溅射工艺参数对氧化锌薄膜晶体管的电学特性影响较大。除此之外，还研究了氧化 锌薄膜晶体管的绝缘层材料对薄膜晶体管特性的影响，研究表明，在可能的情况下，应优先 选择介电常数比较大的材料，这样可以有效的提高氧化锌薄膜晶体管的可靠性。而且电极材 料对氧化锌薄膜晶体管的电学特性有一定影响，但普通金属都可以和氧化锌沟道层形成良好 的欧姆接触。 在研究了氧化锌薄膜晶体管的基础上，对国际上热门的适合在大面积柔性显示领域应用 的氧化锌纳米线薄膜晶体管进行了初步研究，并在现有丝网印刷的技术基础上，运用压印转 移法，简化了纳米线薄膜晶体管的组装流程。通过对氧化锌纳米线薄膜晶体管电学特性的测 量，获得了高达1 5 c m 2 v s 的电子迁移率和大子1 0 4 电流开关比，为其在柔性电子显示领域的 应用打下了坚实的基础。 关键词：氧化锌射频溅射压印转移薄膜晶体管 a b s t r a c t z i n co x i d e ，n o v e lk i n do fw i d eb a n dg a ps e m i c o n d u c t o rh a sa t t r a c t e dm a n ys c i e n t i s t s a n d c o m p a n i e s a t t e n t i o nf o ri t sv a s tp o t e n t i a lv a l u ei ne l e c t r o n i cd i s p l a ya r e a i nt h i sp a s s a g e ，w e e x p l o r e dt h ep r o p e r t i e so ft h ez i n co x i d ei nd e t a i la sw e l la si t su s ei nm a k i n gn o v e lt h i nf i l m t r a n s i s t o r s a c c o r d i n g t oo u rr e s e a r c h ，w ef i n dt h a tt h ez i n co x i d et h i nf i l mi st r a n s p a r e n ta n ds t r e t c h a b l e a n di t sa m a z i n ge l e c t r o n i cp r o p e r t i e sp r o v i d eu st r e m e n d o u sc h a n c e st o e x p l o r en e wk i n do f e l e c t r o n i cp r o d u c t se s p e c i a l l yi nd i s p l a ya r e a i no u rr e s e a r c h ，w eu s et h er f s p u t t e r i n gm e t h o dt o f a b r i c a t et h ez i n co x i d et h i nf i l m s a n dw i t ht h ed i f f e r e n c e so ft h es p u t t e r i n ga t m o s p h e r ea sw e l la s t h et e m p e r a t u r eo ft h es u b s t r a t e ，t h ep r o p e r t i e so ft h et h i nf i l m sc h a n g e s a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h ， w ed e m o n s t r a t et h a tw i t ht h ei n c r e a s i n go fo x y g e np r e s s u r ea n dt h es u b s t r a t e st e m p e r a t u r e ，t h e p r o p e r t i e so ft h et h i nf i l mt e n dt ob e c o m eb e t t e rb u ti ft h eo x y g e np r e s s u r eo rt h es u b s t r a t e s t e m p e r a t u r eg o e st o oh i g h ，t h ep r o p e r t i e so ft h et h i nf i l md e t e r i o r a t e b a s e do nt h er e s e a r c ho fz i n c o x i d e ，w ef a b r i c a t et h ez i n co x i d et h i nf i l mt r a n s i s t o r a n dw i t ht h ei n c r e a s i n go fo x y g e np r e s s u r e ， s u b s t r a t e s t e m p e r a t u r ea n dt h et h i c k n e s so fz i n co x i d et h i nf i l m ，t h ee l e c t r o n i cp r o p e r t i e sb e c o m e b e t t e r b u ti fo n eo ft h e s et h r e ep a r a m e t e r sg o e st o oh i g h ，t h ee l e c t r o n i cp r o p e r t i e sd e t e r i o r a t ew h i c h m e a ns l o w e re l e c t r o nm o b i l i t ya sw e l la sl o w e ro n o f fc u r r e n tr a t i o e x c e p tf o rt h a t ，w ea l s oh a v ee x p l o r e d t h ep e r f o r m a n c eo ft h e t h i nf i l mt r a n s i s t o r sw i m d i f f e r e n ti n s u l a t o ra n de l e c t r o d e a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h ，t h et h i nf i l mt r a n s i s t o rw i t hah i g h e r c o e f f i c i e n ti n s u l a t o rs h o w sb e t t e rp e r f o r m a n c ew h i l et h ep e r f o r m a n c e so ft h i nf i l mt r a n s i s t o r sw i t l l d i f f e r e n te l e c t r o d e sa r en e a r l yt h es a m ew h i c hd e m o n s t r a t eb o t hg o o do h mc o n t a c t st oz i n co x i d e t h i nf i l ml a y e rf o r t h ed i f f e r e n te l e c t r o d e s b a s e do nt h er e s e a r c ho fz i n co x i d et h i nf i l mt r a n s i s t o r , w eh a v ee x p l o r e dt h ep r o p e r t i e so f z i n co x i d en a n o w i r et h i nf i l mt r a n s i s t o r t h i sn e wk i n do fz i n co x i d et h i nf i l mt r a n s i s t o rs h o w s b e t t e re l e c t r o nm o b i l i t ya sw e l la so n o f fc u r r e n tr a t i o ，w h i c hm e a n sav a s tp o t e n t i a lu s ei nf l e x i b l e e l e c t r o n i cd i s p l a ya r e a k e yw o r d s ：z i n co x i d e ，r fs p u t t e r i n g ，n a ni m p r i n t i n g ，t h i nf i l mt r a n s i s t o r 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2t f t 技术的概况2 1 3 氧化锌基本特性及应用介绍7 1 3 1z n o 材料的基本特性7 1 3 2 氧化锌材料的基本应用9 1 4 薄膜制备方法简介1 1 1 4 1 溅射法l l 1 4 2 脉冲激光沉积1 2 1 4 3 分子束外延1 2 1 4 4 金属有机物气相沉积1 3 1 4 5 溶胶凝胶法1 3 1 4 6 喷雾热分解法1 4 1 5 薄膜表征方法简介1 4 1 5 1x 射线衍射1 4 1 5 2 场发射电子显微镜1 5 1 6 课题主要工作及意义1 6 第二章氧化锌薄膜的制备1 7 2 1 实验使用的设备简介1 7 2 1 1 研究使用的射频溅射介绍。1 7 2 1 2 研究使用的热蒸发设备介绍19 2 1 3 研究使用的电子束设备介绍2 0 2 2 氧化锌薄膜特性的研究2 1 2 2 1 本课题中氧气分压对薄膜的影响2 1 2 2 2 溅射中衬底温度对薄膜特性的影响2 4 i i i 目录 2 3 本章结论2 6 第三章氧化锌薄膜晶体管制备及性能研究2 7 3 1 氧化锌薄膜晶体管的基本结构和工作原理2 7 3 2z n ot f t 的结构设计2 9 3 2 1 绝缘层的设计3 0 3 2 2 电极材料的设计3 0 3 3z n ot f t 的制备3 1 3 4 测试结果与分析。3 4 3 4 1 测试方法介绍3 4 3 4 2 氧化锌薄膜沉积对器件性能特性的影响3 6 3 4 3 绝缘层设计对器件特性的影响4 3 3 4 4 电极材料对器件特性的影响4 7 3 5 本章结论4 9 第四章氧化锌纳米薄膜晶体管制备及性能研究。5 0 4 1 氧化锌纳米薄膜的制备和表征5 0 4 2 氧化锌纳米薄膜晶体管的组装5 2 4 3 测量结果与讨论5 4 4 4 本章结论5 6 结论与展望5 7 至5 谢5 8 参考文献5 9 附j j 乏6 3 1 i v 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着信息化社会的不断发展，各种新颖的电子产品不断涌现出来，并快速的普及。电子 产品更新换代让人享受更加完美的科技成果的同时，社会对电子产品本身提出了更高的要去 尤其是与人们生活相关的如：平板显示领域，智能手机领域等等。在这些领域，技术的发展 方向一方面是追求更大的面积，更高的分辨率以及更快的处理数据的速度，另一方面则是更 轻的重量，更小的能量消耗以及占用更小的空间，方便人们的出行【l 】。而正是由于这样的需 求，柔性电子学和透明电子学应运而生。柔性电子学是指区别于传统的电子器件拥有柔韧性， 可拉伸折叠而不影响其性能的电子器件如柔性的可拉伸的电路等等。而透明电子学则是以追 求更大的透光率，从而降低现有的平板显示的功耗，更有甚者的是全透明的平板显示器，从 而可以让人们体验前所未有的感觉，正如星球大战电影中所表现的那样。而制作这样终极显 示器件或者智能显示器件的最根本的核心元件就是薄膜晶体管t f t ( t h i nf i l mt r a n s i s t o r ) ，一种 在玻璃基板上使用薄膜工艺制作的场效应管 t f t 的历史可以上溯到上世纪三十年代【l l ，但是直到七十年代，随着液晶显示器件的发展 和有源矩阵概念的出现，这项技术才真正的引起了人们的重视。以非晶硅材料作为半导体层 的t f t 技术1 9 7 9 年一经提出便获得了广泛的关注【2 】，并最终取得了商业上的成功。目前这类 t f t 被广泛应用在液晶显示器l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) ，x 光检测器件中。基于准分子激光 器退火e l a ( e x c i m e rl a s e ra n n e a l i n g ) 晶化技术的多晶硅半导体t f t 也是商业化比较成功的例 子，这类t f t 目前被用在一些高端的显示器产品中。 然后近些年来，随着新的一代显示技术的出现如有机发光二极管o l e d ( o r g a n i cl i g h t e m i t t i n gd i o d e ) , _ 显示器等逐渐走上前台。除了潜在的显示质量和成本上的优势外，传统平板显 示技术为日韩所垄断的现实也加速了新技术的发展。新型显示技术的驱动方案与液晶显示不 尽相同，需要有不同的有源矩阵来辅助。对于新型器件，目前用于l c d 中的t f t 技术的局 限性便逐渐显现出来：非晶硅t f t 器件开态电阻大，电子迁移率较低，制作工艺温度与有机 聚合物显示器件不兼容，驱动能力有限等给进一步提高显示器件的性能造成了很大的困难。 旧的技术暴露出的问题和新型的市场的崛起给新型t f t 带来了发展契机。为了获得更廉价， 性能更好的t f t ，突破半导体材料本身的特性限制，研究开发新型半导体材料t f t 是技术发 展的必然趋势。 l 东雨大学硕士学位论文 金属氧化物半导体在这种形势下获得了广泛的关注。作为金属氧化物中被研究的最为深 入的一种宽禁带半导体，氧化锌( z n o ) 拥有优良的电学，光学特性以及很好机械延展性。使 得研究z n ot f t 对进一步提高o l e d 显示器件甚至全柔性显示器件意义重大。在短短4 年 的时间内，以氧化锌薄膜或纳米线为半导体沟道的t f t 技术已经成为新一代有源矩阵解决方 案中重要的研究方向之一【3 】。 另一方面，随着t f l 技术研究的深入，氧化锌t f t 不仅被人用于平板显示器的面板玻璃 上，还可以在廉价，轻便，可弯折的聚合物衬底上制作射频识别r f i d ( r a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ) 标签以代替普通集成电路。而且与o l e d e p a p e r 结合的t f t 技术，柔性显示 器件的产品业已问世。普通聚合物衬底耐热温度在1 5 0 以下，在如此低的工艺温度下通过 射频溅射等方法获得的z n ot f t 依然可以获得非常高的电子迁移率和透光率，这一点是其他 半导体材料所难以比拟的。在保证工艺温度兼容的情况下，进一步提高电子的迁移率和驱动 电流也逐渐成为人们研究的方向之一【引。 1 2t f t 技术的概况 1 2 1t f t 在l c d 中的应用 图1 1 是有源驱动l c d 一个显示单元的电路图。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。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。 列 晶 图1 1 有缘矩阵l c d 显示单元电路图 因为在l c d 中t f t 仅仅是作为一个开关在起作用，所以在设计上只需要t f t 的开关比 2 第苹绪论 足够大，对于t f t 其他方面的特性没有太高要求。虽然非晶硅t f t 的性能有种种问题，但是 对于一般的有源驱动l c d 屏，完全可以满足应用中的需要。 1 2 2t f t 在o l e d 中的应用 - o l e d 显示单元是电流驱动器件。o l e d 显示器如果采用简单的行扫描驱动，在显示屏 亮度一定的情况下，显示器的行数越多，选中行就要越亮，需要的电流脉冲就越大。经常施 加大电流脉冲会降低o l e d 的发光效率，严重缩短显示器寿命，因此大屏幕的o l e d 必须采 用比较复杂的有源驱动方式。图1 2 表示了一个原理性的o l e d 予像素的电路结构【3 1 。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，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。实际中使用的 电路要比图1 2 复杂得多口 1 4 1 ，为了稳定发光，需要多个t f t 组成电流稳定补偿电路。 列 行电极 v d o l e d 显示单雹l 乜极 1 r 1 驱剑 = = 图1 2 有源矩阵o l e d 子像素电路图 在图1 2 的电路中，与o l e d 显示单元串联的驱动用t f t ，其开态导通电流正比于o l e d 的发光亮度。如果采用场致迁移率值较低的非晶硅t f t ，为达到显示器的亮度要求，只有增 大t f t 的宽长比，这给像素设计带来很多5 曼f i l l t 4 。开发具有高迁移率的低成本t f t 是解决上 述问题的一个途径。非晶硅t f t 稳定性方面的缺陷是促使人们寻找替代技术的另一个原因。 非晶硅t f t 长时间处在高栅压作用下，器件的阈值容易发生漂移，这个问题在t f t 仅仅作为 开关的有源l c d 中没有显露出来，但在o l e d 中情况不同。从前面对驱动方案的介绍可知， o l e d 像素发光时串联在显示单元上的驱动用t f t 是一直保持在打开状态的，t f t 阈值漂移 会直接引起像素发光亮度的变化，对整体显示质量产生恶劣的影响。虽然这个影响可以通过 东雨大学硕士学位论文 多个t f t 组成电流稳定补偿电路得到改善，但是制作出性质稳定的t f t 才是解决问题的根本。 1 2 3t f t 在柔性基底上的应用 早在上世纪六十年代，人们就开始尝试在塑料甚至纸张上制作t f t 了。直到最近，基于 有机半导体材料的t f t 技术进入成熟阶段，所谓的“柔性电子才有了实质性的发展。2 0 0 7 年，s o n y 公司展示了世界上第一块制作在塑料基底上的有源o l e d 显示屏和一块v g a 标 准的有源微胶囊型电泳显示器( 电子纸) 。2 0 0 8 年，比利时研究机构i m e c 展示了集成了4 1 4 个t f t 的r f i d 标签，其通信距离最大为1 0 c m ，能够以约7 8 0 b i t 每秒的数据传输速度读取数 据。这些样品都是采用有机t f t 技术制作的。柔性基底上制作的显示屏，除了可以弯曲、携 带方便外，还可以采用卷对卷( r o l lt or o l l ) 连续加工技术，降低器件的制造成本 4 】。柔性基 底上的r f i d 标签，则是通过把电路和天线制作在同一衬底上，大幅度缩减标签的成本。如 果能将标签的成本压缩到几美分一个，r f i d 技术就可以打开商品价签的市场。目前柔性衬底 上广泛采用的有机t f t ，其场致迁移率与非晶硅t f t 相当，甚至更低，在许多场合下很难满 足实际需要。比如在r f i d 中，当工作频率和沟道长度一定时，t f t 的场致迁移率和电源电 压成反比，因此采用有机t f t 实现的r f i d 需要几十伏的电路工作电压【5 l ，这个要求在应用 中是很难达到的。 柔性衬底的处理温度不能过高，常用的热处理后的p e t 塑料衬底耐温不能超过1 5 0 。c ，价 格更高一些的p e n 塑料耐温也不过2 0 0 。c t 6 1 ，所以目前柔性电子只能采用工艺温度足够低的 有机半导体t f t 作为有源器件。实现柔性电子器件的另一种方法是在玻璃或硅片上制作高性 能的t f t ，再剥离下来转贴到有机衬底_ k t 7 】【8 】，这种方法工艺步骤过多，成本很难降低。如果 能研究出处理温度足够低，工艺简单，而性能却更好的t f t 技术，对于柔性电子技术的发展 无疑是非常有意义的。 4 第一章绪论 1 2 4 基于各种不同半导体材料的t f t 技术比较 正如本章引言中所指出的，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 ，或者试图对已有的工艺进行改进；同时通过对新型t f t 的观察和了解，又进行 了更多应用方面的尝试。本节从t f t 技术自身的角度，依据不同材质的半导体层材料，介绍 t f t 技术的发展现状。 表1 1 不同种半导体材料t f t 性能比较 半导体层种类非晶硅多晶硅微晶硅有机半导体氧化物半导 体 发展历史3 0 年3 0 年 1 0 年 2 0 年5 年 成本低e l a 高，金属低低低 诱导较低 场致迁移率 11 01 0 , 6 洲0 0 9 竺4 0 0 0 盂3 0 0 0 芑2 0 0 0c 。10 0 0 0 3 03 23 43 63 84 0 2t h e t a ( d e g ) 图2 4 不同氧氩比下的x r d 衍射图 通过x r d 结果我们可以看到，位于3 4 2 。的衍射峰很强，说明这几种氧气环境下，溅射 获得的z n o 薄膜具备很好的取向性。并且通过结果可以看到，随着氧气偏压的增长，衍射峰 的强度逐渐增加，这说明随着氧气压力的增加，衍射峰变强更尖，这表明晶粒尺寸变大结晶 质量好，这很可能是由氧气于浓度增大，沉积速率减小，使溅射原子有足够的时间在基片表 面迁移，有力于核的形成和晶粒尺寸的长大。但是当氧气浓度过高时，溅射的薄膜的特性逐 渐恶化，这样的现象在k i m 4 9 1 等人发表的文章中也有所提及，比较合理的看法是当氧气浓度 超过一定程度后，薄膜内部的应力产生了变化，从而导致薄膜的特性恶化。所以，在实际制 备z n o 薄膜器件时，需要选择合理的氩气氧气比值r 。 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 8 6 4 2 1 1 = 协c _ c 一 图2 5 不同气体氛围下的表面s e m 图 图2 5 ( e ) 和图2 5 ( f ) 是薄膜表面形貌随着氧气氩气浓度从贮1 到r = 3 所呈现的变化。通过 高分辨率的s e m 图片的对比可以看到，当氧气氩气比值r 一1 时，薄膜表面颗粒的大小为3 5 m 左右，随着氧气氩气比值r 增加到3 时，薄膜表面的颗粒的大小直径约为4 0 m 薄膜表满颗 粒直径的增加反应了薄膜结晶性的增加，质量进一步变好，择优性变强，这一结果和通过对 薄膜进行x i m 分析的结果相吻合。因为适量的氧气的加入，氧气分子会与溅射出来的分子进 行碰撞，有效的降低薄膜的沉积速率，这样衬底表面的原子，分子就有充足的时间在衬底表 面迁移，形成直径较大的薄膜晶粒，提高结晶性。 东南大学硕士学位论文 2 2 2 溅射中衬底温度对薄膜特性的影响 沉积温度的不同将直接影响基底表面吸附原予表面的迁移率、再蒸发和结晶状况，从而 将对z n o 薄膜的生长产生较大影响。在薄膜的制备过程中，较低的沉积温度使得基底表面吸 附原子的迁移率较低，薄膜易于凝聚成一种多孔的非晶结构，过高的沉积温度易于形成趋向 混乱的多晶态薄膜，适当的沉积温度下，基底表面吸附原子的迁移率较大，与基底附着力较 弱的原子将由于再蒸发过程而溢出表面，因此有利于生成均匀、致密、c 轴取向良好的薄膜。 空6 0 0 0 历4 5 0 0 。t , - 3 0 0 0 # 1 5 0 0 0 3 3 。8 3 4 03 4 23 4 43 4 6 3 4 8 3 5 0 ( d ) 图2 6 不同衬底温度下薄膜x r d 图2 6 为在不同衬底温度下沉积的氧化锌薄膜的x r d 衍射谱。为了研究沉积温度对薄膜 结构的影响，我们结合x r d 谱进行分析，x r d 分析发现，所有的沉积温度下的z n o 薄膜均 呈现高度的c 轴取向，但其( 0 0 2 ) 衍射峰的半峰宽和峰位有所不同。下图为不同沉积温度下z n o 薄膜( 0 0 2 ) 的x r d 衍射图，从图中可以看出，随着沉积温度的增加，z n o 薄膜的( 0 0 2 ) 衍射峰 逐渐向高角度移动。其半高宽的变化规律是随着沉积温度的增加而逐渐减小，在5 0 0 。c 时半 峰宽达到最小，7 0 0 * ( 2 时又有所增加。x r d 的半峰宽与薄膜晶粒尺寸有关，而z n o 衍射峰峰 位的变化则是薄膜应力的反应。当薄膜沉积温度从室温升至5 0 0 的过程中，沉积在薄膜表 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 5 0 5 0 5 5 0 5 0 5 5 0 5 0 5 7 6 4 3 1 l 龟屯毛l 7 6 4 3 1 五lsco芒一 lsco芒i lsco芒一 笙三兰墨垡壁翌堕堕型鱼 面的原子和分子获得更多的能量在衬底表面进行迁移，重新结晶形成较大的薄膜晶粒，薄膜 结晶性变好，晶界间隙变小，薄膜择优性变强，但随着衬底温度的过度升高，薄膜内部应力 发生了变化从压应力变成了张应力，并且c 轴择优取向被破坏，晶界间隙增多。 图2 7 不同衬底温度下薄膜表面的s e m 图 图2 7 是温度逐渐升高的情况下，薄膜表面形貌的变化过程，从图中可以看到，当衬底 温度为室温时，衬底表面的原子和分子没有充足的能量进行迁移，从而其晶界间隙比较大， 表面比较粗糙，随着衬底温度上升到2 5 0 和5 0 0 时，从图中可以看到晶界间隙明显变小， 表面变得更加的平滑。但是随着温度上升到7 0 0 时，薄膜表面性质发生恶化，晶界间隙增 大，表面也变得粗糙起来。这一现象也和x r d 衍射结果相符合，因此选择合适的衬底温度对 提高薄膜质量至关重要。 东南大学硕士学位论文 2 3 本章结论 在本章中，结合是实验室现有的设备，用射频溅射的方法在玻璃衬底上制备了氧化锌薄 膜，并通过x 射线衍射分析，场发射增强扫描电子显微镜系统地研究了氧化锌薄膜随着不同 的溅射气体氛围，不同的衬底温度下特性的变化，实验结果表面： ( 1 ) 氧化锌薄膜溅射过程中，随着氧气浓度的上升，薄膜的结晶性，择优性增强，薄膜 晶粒尺寸增大。但过高的氧气浓度则会降低薄膜特性。 ( 2 ) 氧化锌薄膜质量随着衬底温度的上升，衬底表面原子分子的能量增加，有助于原子 分子的表面迁移，使薄膜表面的结晶性增强。衬底温度过高，分子原子能量过强，导致晶界 间隙增大，粗糙度增加，不利于和其他绝缘层薄膜形成优良的接触界面，不利于器件性能的 提高。 第三章氧化锌薄膜晶体管制备及性能研究 第三章氧化锌薄膜晶体管制备及性能研究 3 1 氧化锌薄膜晶体管的基本结构和工作原理 t f t 基本的结构可以分为两种。两种结构图如图所示，这里我们把栅极在最底层，紧贴 玻璃衬底的结构统称为底栅结构( b o t t o m g a t e d ) ，栅极在最顶层的称为顶栅( t o p g a t e d ) 结构。 图3 1 是一个底栅结构和顶栅结构的示意图。 f 黔 麟 ? 湖 习 翟；：暂 殄释碍 5 ： 习 k ，j 誊 缓。，j ， 纽黝泷躺激盈 ，。，j 款 缓旒施施幺j 瑾： 匕 硝虢；赫， 期 图3 1 ( a ) 顶栅结构示意图 图3 1 ( b ) 底栅结构示意图 霸衬底 _ 金属 口z n o 层 绝缘层 _ 衬底 _ 金属 口z n o 层 一绝缘层， 虽然t f t 有多种不同的器件结构，但其工作原理仍然是类似的，都是通过控制栅极与源 漏极间的电场来改变器件源漏极问的导电性。当栅极电压变化时，半导体层和绝缘层界面上 的载流子浓度和载流子迁移率都会发生变化。栅极电压改变至吸引载流子时，载流子集中在 半导体层和绝缘层的界面上形成一个导电沟道，使器件源漏极间导通。这个导电沟道是很薄 的，计算中可以忽略它的厚度，这和m o s 场效应管的反型层是一样的。栅极电压改变至拒 斥载流子时，导电沟道消失，源漏极间为高阻状态，这和m o s 场效应管的情况也很相似。 因此常用的m o s 场效应管电流计算公式【5 0 】可以直接应用于薄膜晶体管( 假设为n 型器件) ： 东南大学硕士学位论文 i d = o p 等譬 呱一吩一譬 等譬眩甜 v g s v t h ( 3 1 ) 一 公式中i d 是晶体管源漏极间的电流，v g s 和v d s 分别是栅极源极和漏极源极之间的电压， v t h 是器件的阈值电压，即器件进入开启状态时栅极的电压。s o y 是绝缘层的介电常数，d 是 绝缘层厚度，w l 是器