雙電層靜電調制及其低電壓氧化物薄膜晶體管研究.pdf

1、近年來,氧化物薄膜晶體管(TFT)逐漸引起了廣泛的研究興趣。氧化物TFT的溝道材料不但具有較高的光學透明性,通常還具有比較高的溝道載流子遷移率,即使在室溫下沉積也經常能夠達到大于10cm2/Vs。然而,在一般的文獻報道中,氧化物TFT的工作電壓很大(＞10V),這會導致電子系統(tǒng)有更大的功耗,提高能耗。因此,降低晶體管的工作電壓,進一步提高器件的柵電場靜電調制能力,研究出新的器件結構和工藝并探討其內在工作機理,成為當前的研究熱點。針對這些

2、問題,本文的工作主要可以概括為以下幾點:
　　(1)本文發(fā)現(xiàn)通過等離子增強化學沉積方法(PECVD)生長出的SiO2納米顆粒膜(nanogranular film)具有明顯的雙電層效應。電容頻率測試結構表明,雖然室溫制備的微孔SiO2絕緣層厚度約4μm,然而卻呈現(xiàn)出非常大的單位面積電容(＞1.0μF/cm2)。針對這個反常的物理現(xiàn)象,我們提出基于質子遷移的雙電層理論來進行解釋,并通過相關實驗表征手段和進一步地分析證實了這個解釋。S

3、iO2納米顆粒膜柵介質的發(fā)現(xiàn)和雙電層理論的提出為下一步制備出各種新型的TFT器件奠定了堅實的基礎。
　　(2)利用SiO2納米顆粒膜作為柵介質來進行氧化物TFT的雙電層靜電調控,研制了基于InGaZnO4氧化物溝道的全室溫工藝透明TFT。實驗結果進一步表明,器件的工作電壓僅為1.0 V,電流開關比達到了1.1×106,亞閾值斜率為110mV/dec,溝道的場效應載流子遷移率為28.5cm2/Vs。
　　(3)采用離子灌入的方

4、式(用LiCl,H3PO4溶液來浸泡),在SiO2納米顆粒膜中引入了無機離子,明顯增強了柵介質的雙電層電容。利用這種復合柵介質,我們成功制備了垂直溝道的氧化銦錫(ITO)薄膜晶體管。垂直溝道TFT一個明顯的優(yōu)點是很容易控制溝道的長度(即為沉積的ITO溝道薄膜的厚度),因此短溝道的TFT就很容易實現(xiàn)了。同時,發(fā)現(xiàn)采用溶液浸泡工藝的復合柵介質能進一步地降低晶體管的工作電壓。用30%的LiCl溶液浸泡的SiO2納米顆粒膜作為TFT的柵介質,得

5、到的器件亞閾值斜率為72mV/dec,電流開關比為1.4×106,工作電壓為僅為0.8V。采用10%的H3P04溶液浸泡的SiO2納米顆粒膜作為TFT的柵介質,得到的器件亞閾值斜率為78mV/dec,電流開關比為2×106,工作電壓為0.8V。
　　(4)本文發(fā)現(xiàn)在射頻磁控濺射ITO源漏電極的過程中,利用掩膜板的繞射可以自組裝一層ITO溝道。利用這種新型的溝道自主裝工藝,我們在導電塑料襯底上面成功制備了柔性透明電子器件。器件電流開

6、關比約為107,亞閾值斜率為65mV/dec,工作電壓僅為1.0V。自組裝ITO溝道柔性透明薄膜晶體管大大簡化了傳統(tǒng)的器件制備工藝,有望在一些低成本電子產品應用領域引發(fā)新的研究興趣和研究價值。
　　(5)在掩膜板繞射工藝的基礎上,成功實現(xiàn)了單側柵以及雙側柵的TFT。晶體管的柵極和源漏電極以及溝道可以通過一塊金屬掩膜板在一次射頻磁控濺射ITO的工藝中來實現(xiàn)。實驗表明,全透明單側柵自組裝ITO溝道TFT顯示出了良好的器件性能:電流開關

7、比達到了2×106,亞閾值斜率為125mV/dec。而當雙柵TFT的第二柵極電壓VG2從3.0V變化到-2.0V時,器件的閾值電壓會相應地從-0.55V調制到0.76V。在這些相關實驗結果基礎上,我們提出了側柵電容串聯(lián)耦合模型來解釋側柵電壓靜電調控機制。實驗和理論分析證明,SiO2納米顆粒膜柵介質與絕緣襯底之間的那層導電薄膜起著至關重要的作用:正是它將側柵電容和溝道下面的柵電容建立了有效的串聯(lián)耦合。對于雙側柵TFT,進一步提出了一個三電

8、容靜電耦合模型,從定量的層面上解釋了側柵調控TFT閾值電壓的現(xiàn)象。
　　(6)通過采用減小射頻磁控濺射過程中ITO薄膜厚度的手段,成功制備了無結ITO溝道薄膜晶體管。工藝上,采用室溫射頻磁控濺射ITO,通過一塊金屬掩膜板,就可以一次性制備出TFT的源漏和溝道,使晶體管的溝道和源漏的材料性質和結構尺寸完全一樣。制作成功了基于柔性紙張的無結TFT,以及柵極和源漏還有溝道全在一個平面上的無結共平面柵透明TFT。實驗發(fā)現(xiàn),當射頻濺射的IT