AOS TFT穩(wěn)定性分析及溶膠凝膠法制備AOS材料的初步研究.pdf

1、近年來頗受矚目的非晶氧化物半導(dǎo)體(AOS)薄膜晶體管，相對傳統(tǒng)的非晶硅TFT和LTPS TFT，它的遷移率可達(dá)10cm2/Vs，并且由于其本身就是非晶態(tài)的，大面積均勻性好，具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景。而溶液法制備的非晶氧化物TFT工藝相對簡單，成分易于控制，且不需要昂貴的真空設(shè)備，是一種良好的低成本工藝。但是，器件的穩(wěn)定性仍然是制約其應(yīng)用的關(guān)鍵因素。
　　 本文第二章對濺射法a-IGZO TFT的測試表明，其高達(dá)23.7cm2/Vs的

2、場效應(yīng)遷移率，零伏左右的閾值電壓，108量級的開關(guān)比滿足了高分辨率大尺寸AMLCD和AMOLED面板的驅(qū)動要求。另外，測試表明溝道長度一定范圍的減小有利于改善器件的電學(xué)特性，但是寬長比為100/5μm無背溝保護(hù)層的器件在電應(yīng)力實(shí)驗(yàn)中性能明顯衰退，且出現(xiàn)了明顯的駝峰效應(yīng)。駝峰效應(yīng)嚴(yán)重影響了器件在亞閾值區(qū)的特性，造成器件進(jìn)入飽和的工作電流不穩(wěn)定，可見溝長的減小是要受到限制的。
　　 本文的第三章從物理機(jī)制層面全面分析與討論了AOS

3、TFT的穩(wěn)定性問題，包括電應(yīng)力、熱應(yīng)力、光應(yīng)力以及環(huán)境氣氛的作用，找出了影響穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。電應(yīng)力主要造成轉(zhuǎn)移曲線的整體推移，其機(jī)理可能與柵絕緣層/半導(dǎo)體層界面處的陷阱數(shù)目有關(guān)，降低此界面處的缺陷態(tài)密度，將有利于減少固定負(fù)電荷數(shù)目從而改善電穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性主要影響著器件進(jìn)入關(guān)態(tài)的性能，其機(jī)理可能與溝道熱激發(fā)效應(yīng)有關(guān)，控制半導(dǎo)體內(nèi)缺陷態(tài)數(shù)目對優(yōu)化熱穩(wěn)定性相當(dāng)重要。光穩(wěn)定性主要影響著器件工作電流達(dá)到飽和的能力，其機(jī)理可能與光生效應(yīng)有關(guān)，良

4、好的界面狀態(tài)和鈍化的溝道陷阱能有效減少被激發(fā)的載流子數(shù)目，從而改善光穩(wěn)定性。背溝道保護(hù)層的存在能有效阻止空氣中的水汽、氧氣與半導(dǎo)體層的作用，吸收紫外光，對于改善電、熱、光穩(wěn)定性以及避免駝峰效應(yīng)都有重要意義。
　　 無論是電、熱、光應(yīng)力還是環(huán)境氣氛的影響，歸根結(jié)底由半導(dǎo)體內(nèi)部陷阱數(shù)目和柵絕緣層與溝道層界面懸掛鍵數(shù)目決定，二者是穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，而氧空位是AOS TFT中最重要的缺陷態(tài)。因此，第四章分別從AOS材料和高質(zhì)量柵絕緣層兩

5、個方面入手，以期找到改善穩(wěn)定性的方法。
　　 通過對溶膠凝膠(sol-gel)法熱處理過程的化學(xué)反應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，200-300℃是縮合反應(yīng)形成M-O-M鍵的階段，是氧空位產(chǎn)生的主要時期。從XPS譜圖看出，當(dāng)摻入重金屬原子時，重金屬原子有削減氧空位數(shù)目的作用，這種抑制作用主要由重金屬陽離子的電負(fù)性和帶隙寬度決定。但是重金屬原子對載流子的傳輸有阻礙效果，而溶液法可以嚴(yán)格控制組分比例來控制重金屬原子的含量從而解決這一問題。最終，我們采用

6、sol-gel法成功制備了遷移率為2.14cm2/Vs，方塊電阻為9.19×104Ω/□的a-ZrInZnO半導(dǎo)體材料。證明溶液法是制備高穩(wěn)定性、良好電學(xué)性能、低成本的氧化物TFT基板的可用技術(shù)。
　　 此外，通過實(shí)驗(yàn)分析，陽極氧化法制備的氧化鋁電介質(zhì)材料由于存在極厚的多孔層，電絕緣性變得很差，為探索高質(zhì)量柵絕緣層，本文采用了兩種可替代工藝及材料。原子層沉積法制備的氧化鋁薄膜結(jié)構(gòu)致密，且測得介電常數(shù)為15，體現(xiàn)了高質(zhì)量和高電介質(zhì)