非晶硅鍺-氧化銦鋅薄膜性能優(yōu)化及其晶體管應(yīng)用研究.pdf

1、薄膜晶體管（Thin Film Transistors，TFTs）作為開關(guān)驅(qū)動(dòng)器件，在新一代有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管（Active Matrix Organic Light Emitting Diode，AMOLED）顯示領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)溝道層材料性質(zhì)的不同，TFTs器件主要分為非晶硅（Amorphous Silicon，a-Si）基TFT和非晶氧化物半導(dǎo)體（Amorphous Oxide Semiconductor，AOS

2、）基TFT。a-Si基TFT具有工藝溫度低、應(yīng)力小、大面積均勻性好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也是工藝最為成熟且商業(yè)化應(yīng)用最為廣泛的TFT。但是，a-Si基TFT場效應(yīng)遷移率較低（<1 cm2/V.s），難以滿足AMOLED對TFT驅(qū)動(dòng)的要求。近年來，以非晶氧化銦鋅（Amorphous Indium Zinc Oxide，a-IZO）和非晶氧化銦鎵鋅（Amorphous Indium Gallium Zinc Oxide，a-IGZO）為代

3、表的AOS基TFTs，由于具有遷移率高、可見光范圍透過率高、制備溫度低、均勻性好等優(yōu)點(diǎn)，有望替代傳統(tǒng)a-Si基TFT，成為新一代顯示器件的核心元件。本論文工作緊密圍繞非晶硅鍺（Amorphous Silicon Germanium，a-SiGe）薄膜和a-IZO薄膜的性能優(yōu)化及其TFT器件應(yīng)用而展開，取得的主要成果可概括為以下幾個(gè)方面：
　　1.通過化學(xué)氣相沉積（Plasma Enhanced Chemical Vapor Dep

4、osition，PECVD）制備氫化非晶硅鍺（a-Si1-xGex:H）薄膜，利用多種材料表征手段研究了成膜工藝過程中氬氣（Ar）稀釋對薄膜納米晶化、微結(jié)構(gòu)及光電性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)， Ar稀釋對 a-Si1-xGex:H薄膜非晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中納米晶粒的形成起著重要的作用，當(dāng)Ar稀釋比超過4時(shí)，在薄膜中能明顯觀察到納米晶粒的形成，隨著Ar稀釋比的增加，薄膜納米晶化率逐漸提高，薄膜的暗電導(dǎo)和光學(xué)帶隙相應(yīng)減小。在納米晶化的基礎(chǔ)上，研究了硼（B）

5、摻雜對薄膜電導(dǎo)率和1/f噪聲性能的影響，綜合評價(jià)了a-Si1-xGex:H薄膜在非制冷紅外焦平面器件和薄膜晶體管器件中應(yīng)用的可行性。
　　2.研究了微波退火對a-IZO TFT器件遷移率和閾值電壓的影響，并與溫度為200℃、時(shí)間為1 h的常規(guī)熱退火進(jìn)行對比。研究發(fā)現(xiàn)，微波退火和常規(guī)熱退火都能明顯提高a-IZO TFT器件的飽和遷移率，從沉積態(tài)12.3 cm2/V.s提高到退火態(tài)~19 cm2/V.s；但是，微波退火后a-IZO T

6、FT器件閾值電壓只有很小的負(fù)向漂移，從沉積態(tài)0.23 V漂移到–2.86 V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)熱退火后器件的閾值電壓–9 V?；诖?，提出了一種氧空位調(diào)控機(jī)制用于解釋a-IZO薄膜在微波作用下的電學(xué)變化。這種低溫快速微波退火技術(shù)可使 a-IZO TFT在新型透明和柔性顯示領(lǐng)域，具有巨大的應(yīng)用前景。
　　3.通過在a-IZO TFT器件溝道層IZO與源、漏電極IZO同質(zhì)結(jié)界面處引入銀納米顆粒（Ag NPs），可極大減小IZO/IZO界面

7、的比接觸電阻率ρC。采用線性傳輸線模型（Transmission Line Model，TLM）測試和計(jì)算發(fā)現(xiàn)，具有Ag NPs電極結(jié)構(gòu)的a-IZO TFT源、漏電極與溝道層之間的比接觸電阻率，在 VG=0時(shí)僅為4.4×10-2Ω.cm2，相比導(dǎo)電IZO電極（36Ω.cm2）和普通Ag電極（68Ω.cm2）結(jié)構(gòu)a-IZO TFT，減小了將近3個(gè)數(shù)量級。小的接觸電阻導(dǎo)致了帶有Ag NPs電極結(jié)構(gòu)的a-IZO TFT器件具有優(yōu)異的電學(xué)性能，

8、器件的飽和遷移率達(dá)到27 cm2/V.s、開關(guān)電流比大于>107?？梢詫g NPs對接觸電阻值的減小，歸結(jié)于其對接觸界面處電場分布的調(diào)控與重構(gòu)。
　　4.借助高分辨透射電子顯微鏡（High Resolution Transmission Electron Microscopy，HRTEM），研究了a-IZO/Ti/a-IZO和a-IZO/Al/a-IZO兩種三明治薄膜結(jié)構(gòu)Ti和Al原位氧化層厚度與退火時(shí)間、退火溫度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)氧

9、化層厚度隨退火溫度和退火時(shí)間的增加而增加。制備了頂柵原位氧化結(jié)構(gòu)的IZO TFT器件，其中溝道層IZO與介質(zhì)層HfO2之間沉積有3 nm的薄層Al，通過300 oC熱退火使Al薄層原位氧化為Al2O3。研究表明：8小時(shí)退火后大面積（LG=50μm）原位氧化結(jié)構(gòu)TFT器件飽和遷移率高達(dá)115 cm2/V.s、開關(guān)電流比>107、閾值電壓絕對值<0.5 V、亞閾值電壓擺幅為0.14 V/decade；對于小面積（LG=5μm）原位氧化結(jié)構(gòu)T