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Li掺杂氧化物薄膜晶体管制备及其光电性能研究

Li掺杂氧化物薄膜晶体管制备及其光电性能研究

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作者：雷明洲吉林建筑大学

学位级别：硕士

近年来,薄膜晶体管(TFT)在显示领域作为开关件和驱动器元件被广泛应用。非晶氧化物半导体(AOS)是一种前景十分广阔的新型TFT材料,短时间内在显示应用方面取得了明显进展。相较于传统的非晶硅材料,AOS材料具备无晶界,界面陷阱和散射中心... 详细信息

近年来,薄膜晶体管(TFT)在显示领域作为开关件和驱动器元件被广泛应用。非晶氧化物半导体(AOS)是一种前景十分广阔的新型TFT材料,短时间内在显示应用方面取得了明显进展。相较于传统的非晶硅材料,AOS材料具备无晶界,界面陷阱和散射中心,且可以低温大面积沉积等优势,为AOS材料的电子性能提供了全方位的提升,而且对薄膜无序程度不造成任何影响。此外,AOS材料还可以用于制造高透明度和高迁移率的薄膜晶体管。鉴于该材料不存在晶界的限制,以上所有特点使得AOS薄膜晶体管成为柔性电子领域等许多新兴领域中的关键研究方向。目前,商用的第五代IGZO TFT具有很好的静态特性和长期可靠性,并且迁移率可达15 cm/Vs,但仍然无法满足下一代更高分辨率,更高响应度的显示器件的需求,并且器件中含有毒性的稀有金属In,Ga元素。因此迫切需要找到更合适的氧化物材料作为TFT的有源层。将拥有相似电子结构且含量丰富的sn代替In,有助于薄膜晶体管的大规模应用。而通过掺入碱性金属Li则可以有效增加载流子浓度,从而提高器件迁移率。且Li-O键结合能比较高,有助于抑制氧空位,提高器件稳定性。但目前对于Li掺杂ZTO TFTs的研究相对较少,Li掺杂对于器件整体电学性能的影响有待去研究,现有研究中的单层Li掺杂ZTO TFTs性能提升有限。本论文针对上述问题展开一系列的研究,并对TFT的光电性能进行了初探。本论文第三章首先对磁控溅射ZTO TFTs器件的适当sn价态进行研究,通过sn与Zn O共溅射制备了不同的ZTO TFTs。通过改变sn的溅射功率,调节ZTO薄膜中不同sn价态,证明了sn在ZTO薄膜中有多种存在方式,sn,sn和sn间隙。实验研究表明最佳比例的sn对于器件性能的提升有着显著作用。第四章的主要内容是在ZTO TFTs的基础上通过磁控溅射掺杂Li元素,研究Li掺杂对于ZTO TFTs的影响。运用XPS技术证明了Li的确掺入了薄膜之中,通过电学性能分析表明Li的掺入有效改善了薄膜的质量,提高了器件的迁移率。最后第五章中为了进一步提高器件性能,设计制备了双有源层薄膜晶体管。将载流子浓度高的有源层放在最下层,载流子浓度低的有源层放在最上层,上下形成互补,以提高器件迁移率。为了使两层有源层晶格匹配,上下两层都选用了Li-ZTO薄膜,经过实验研究找到了一组匹配的双有源层结构。为了进一步优化器件性能,通过改变下层薄膜的溅射时间来调节下层薄膜的厚度,进而实现器件迁移率的提高。在逐渐降低溅射时间的实验中发现了薄膜质量与溅射时间的联系。分析研究表明在溅射时间为4 min时,薄膜的M-O键的结合度最高,器件性能也是最好的,其迁移率达到了18cm/Vs。

关键词： Li掺杂锌锡氧薄膜薄膜晶体管双有源层结构 sn价态分析

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