梯度沟道掺氮ZnO薄膜晶体管制备与性能研究

作     者：郭建磊 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姚志强

授予年度：2020年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：磁控溅射 ZnO:N-TFT 工作压强 协同提升 梯度沟道 

摘      要：在有源矩阵平板显示领域,包括AMLCD、AMOLED,薄膜晶体管作为像素的开关,具有无可替代的作用。高分辨,大尺寸,以及柔性显示已成为显示技术发展的新方向,为此对薄膜晶体管也提出了更高的要求。Zn O作为一种金属氧化物,(与传统的a-Si:H TFT、p-Si TFT相比)表现出较高的迁移率、优异的稳定性、高的透光性以及低温制备工艺,Zn O-TFT被认为是下一代高分辨率液晶显示器和透明有机发光二极管显示器最有希望的候选者。然而,一些报道表明,未掺杂的Zn O-TFT具有低的开电流、大的阈值电压和高密度的晶界,为了提高Zn O-TFT的性能,本文分以下几部分对氧化锌薄膜晶体管展开研究。一、采用射频磁控溅射法以Zn O陶瓷作为靶材在玻璃衬底上室温生长Zn O薄膜,工作压强从0.3 Pa调节至9 Pa。通过紫外-可见光分光光度计X线衍射(XRD)仪、霍尔效应测试系统研究了工作压力对Zn O薄膜的晶体结构、光学性能以及电学性能的影响。结果表明氧化锌薄膜是由具有六方纤锌矿结构和c轴取向的多晶晶粒组成,且高度致密。随着工作压强的增加,薄膜晶粒尺寸和霍尔迁移率表现出一致的先增大后减小;同样,薄膜的载流子浓度先缓慢增大后呈指数的增加(10～10cm),相比之下电阻率表现出一直减小的趋势(10～10Ω?cm)。此外,薄膜的内压应力首先降低,然后随着工作压力的增加而增大。所有薄膜在可见光区的平均透射率大于80%。薄膜的光学禁带宽度在3.21～3.24 e V之间。二、优化制备氧化锌薄膜晶体管的工艺参数,我们使用Si O/p-Si衬底,采用射频磁控溅射法制备了Zn O-TFT,研究了工作压强和沟道厚度对TFT性能的影响。实验制备了工作压强分别为0.3 Pa、0.6 Pa、0.9 Pa、3 Pa、6 Pa、9 Pa的器件。通过计算沉积速率和控制溅射时间,薄膜厚度在40～100 nm之间。研究结果表明,当工作压强为0.9 Pa、薄膜厚度为40 nm时,氧化锌薄膜晶体管的工作性能最佳,具有较低的关电流(～3×10A),较高的饱和迁移率(3 cm/Vs)和开关电流比(1.3×10)。三、最后,为了进一步实现Zn O-TFT的高性能,利用Zn O载流子浓度可调控性,通过调节工作压强制备出连续的梯度沟道器件。即在Si O绝缘层表面先沉积一层超薄高载流子Zn O(简称H-Zn O),在沉积不中断的情况下继续沉积低载流子浓度的Zn O。我们探讨了H-Zn O超薄层最佳厚度,其中H-Zn O约为0.6 nm时,Zn O-TFT的电学性能最佳。与此同时,我们通过适量的氮掺杂制备了梯度沟道Zn O:N-TFT,其表现出电学性能和稳定性的协同提升。与单层Zn O TFT相比,梯度沟道Zn O:N-TFT的开关电流比提高了1个数量级(～1×10),载流子迁移率增大了3倍(～9.4 cm/Vs),开电流上升1个数量级(～2 m A)。