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用的關鍵因素。
　　 本文第二章對濺射法a-IGZO TFT的測試表明，其高達23.7cm2/Vs的

2、場效應遷移率，零伏左右的閾值電壓，108量級的開關比滿足了高分辨率大尺寸AMLCD和AMOLED面板的驅動要求。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特性，但是寬長比為100/5μm無背溝保護層的器件在電應力實驗中性能明顯衰退，且出現(xiàn)了明顯的駝峰效應。駝峰效應嚴重影響了器件在亞閾值區(qū)的特性，造成器件進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，包括電應力、熱應力、光應力以及環(huán)境氣氛的作用，找出了影響穩(wěn)定性的關鍵因素。電應力主要造成轉移曲線的整體推移，其機理可能與柵絕緣層/半導體層界面處的陷阱數(shù)目有關，降低此界面處的缺陷態(tài)密度，將有利于減少固定負電荷數(shù)目從而改善電穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性主要影響著器件進入關態(tài)的性能，其機理可能與溝道熱激發(fā)效應有關，控制半導體內缺陷態(tài)數(shù)目對優(yōu)化熱穩(wěn)定性相當重要。光穩(wěn)定性主要影響著器件工作電流達到飽和的能力，其機理可能與光生效應有關，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。背溝道保護層的存在能有效阻止空氣中的水汽、氧氣與半導體層的作用，吸收紫外光，對于改善電、熱、光穩(wěn)定性以及避免駝峰效應都有重要意義。
　　 無論是電、熱、光應力還是環(huán)境氣氛的影響，歸根結底由半導體內部陷阱數(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反應分析發(fā)現(xiàn)，200-300℃是縮合反應形成M-O-M鍵的階段，是氧空位產生的主要時期。從XPS譜圖看出，當摻入重金屬原子時，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半導體材料。證明溶液法是制備高穩(wěn)定性、良好電學性能、低成本的氧化物TFT基板的可用技術。
　　 此外，通過實驗分析，陽極氧化法制備的氧化鋁電介質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構致密，且測得介電常數(shù)為15，體現(xiàn)了高質量和高電介質