低壓無結(jié)IZO薄膜晶體管的研究.pdf

1、近年來，氧化物薄膜晶體管(TFT)以其制備溫度低，電子遷移率高、透光性能良好等優(yōu)勢在平板顯示、電子紙、生物傳感等領(lǐng)域具有巨大的潛力和應(yīng)用價(jià)值，引起了廣泛的關(guān)注。但是，在相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道中，氧化物薄膜晶體管所面臨的一個巨大的挑戰(zhàn)就是其工作電壓偏高(＞20V)，這阻礙了其在低壓低功耗的電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用。這是由于傳統(tǒng)的晶體管器件一般采用了熱氧化生長SiO2柵介質(zhì)，介電常數(shù)低導(dǎo)致其柵電容過小，而工作電壓偏高。減低薄膜晶體管工作電壓的關(guān)鍵在于增大

2、柵介質(zhì)電容。目前來說，最為理想的柵介質(zhì)材料為固態(tài)電解液柵介質(zhì)，這是因?yàn)楣虘B(tài)電解液內(nèi)部電子能夠向薄膜界面移動并形成雙電層電容器。雙電層的理論厚度為1nm，這導(dǎo)致其有極高的電容。同時(shí)，氧化物薄膜晶體管面臨的另一個問題就是其制備過程繁瑣，需要多步沉積才能成功制備出器件，必要時(shí)還會用到復(fù)雜的光刻工藝。
　　 針對這些問題，本文的研究內(nèi)容將圍繞薄膜晶體管的低工作電壓和新型結(jié)構(gòu)展開，主要有兩方面工作:一是室溫制備微孔SiO2無機(jī)固態(tài)電解液作

3、為器件的柵介質(zhì)在薄膜晶體管中應(yīng)用以及固態(tài)電解液雙電層效應(yīng)的說明;二是采用新的工藝方法制備氧化物溝道層以及其在新型結(jié)構(gòu)薄膜晶體管中的應(yīng)用。相關(guān)內(nèi)容如下:
　　 1、本文報(bào)道室溫PECVD制備微孔SiO2無機(jī)固態(tài)電解液柵介質(zhì)。通過掃描電子顯微鏡分析，SiO2柵介質(zhì)的內(nèi)部呈現(xiàn)柱狀結(jié)構(gòu)排列，柱與柱之間有微小的孔洞。電容頻率測試結(jié)果顯示，室溫制備的微孔SiO2厚度只有2μm，但是表現(xiàn)出非常大的單位電容(＞1μF/cm2)。針對這個不正常的

4、物理現(xiàn)象，本文提出了雙電層效應(yīng)理論來進(jìn)行解釋，并通過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析表征證實(shí)了雙電層效應(yīng)的理論解釋。微孔SiO2無機(jī)固態(tài)電解液柵介質(zhì)的制備和雙電層效應(yīng)理論為下一步制備新型結(jié)構(gòu)薄膜晶體管器件奠定了良好的基礎(chǔ)。
　　 2、我們采用微孔SiO2固態(tài)電解液作為柵介質(zhì)，并且利用一步掩膜法磁控濺射IZO薄膜作為器件的源漏電極和溝道層，成功制備了低壓無結(jié)IZO薄膜晶體管。測試結(jié)果表明，器件的工作電壓僅為2V，電流開關(guān)比大于106，亞閾值斜率小于

5、120mv/decade。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無結(jié)器件的溝道厚度從30nm下降到10nm，晶體管的場效應(yīng)調(diào)控能力逐漸增強(qiáng)且器件轉(zhuǎn)換了工作模式，從耗盡型轉(zhuǎn)變?yōu)樵鰪?qiáng)型。
　　 3、我們進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，通過在濺射IZO薄膜的過程中調(diào)控氧氣流量，制備的IZO低壓無結(jié)薄膜晶體管的閾值電壓會向正向漂移，使器件從耗盡型轉(zhuǎn)變?yōu)樵鰪?qiáng)型。相比較沒有通氧制備的晶體管，通氧制備的器件保持了良好的晶體管性能、穩(wěn)定性和重復(fù)性。因此，基于IZO溝道層的低壓無結(jié)薄膜

6、晶體管有望在應(yīng)用在低功耗低成本電子產(chǎn)品領(lǐng)域。
　　 4、在此基礎(chǔ)上，我們成功制備了低壓側(cè)柵無結(jié)薄膜晶體管，器件的源漏電極、溝道層和柵電極都在同一平面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制備的低壓側(cè)柵薄膜晶體管器件有著良好的晶體管性能:工作電壓僅為1V，亞閾值斜率為75mv/decade，電流開關(guān)比為4.1×105。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)器件的側(cè)柵電壓靜電調(diào)控工作機(jī)制可以用側(cè)柵電容串聯(lián)耦合模型來分析解釋。所以，在此研究基礎(chǔ)上，本文報(bào)道的雙側(cè)柵低壓無結(jié)薄膜晶體