雙電層靜電調(diào)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(xué)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(jīng)常能夠達(dá)到大于10cm2/Vs。然而,在一般的文獻(xiàn)報(bào)道中,氧化物TFT的工作電壓很大(＞10V),這會(huì)導(dǎo)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(jìn)一步提高器件的柵電場靜電調(diào)制能力,研究出新的器件結(jié)構(gòu)和工藝并探討其內(nèi)在工作機(jī)理,成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。針對(duì)這些

2、問題,本文的工作主要可以概括為以下幾點(diǎn):
　　(1)本文發(fā)現(xiàn)通過等離子增強(qiáng)化學(xué)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(yīng)。電容頻率測試結(jié)構(gòu)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(duì)這個(gè)反常的物理現(xiàn)象,我們提出基于質(zhì)子遷移的雙電層理論來進(jìn)行解釋,并通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)表征手段和進(jìn)一步地分析證實(shí)了這個(gè)解釋。S

3、iO2納米顆粒膜柵介質(zhì)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　(2)利用SiO2納米顆粒膜作為柵介質(zhì)來進(jìn)行氧化物TFT的雙電層靜電調(diào)控,研制了基于InGaZnO4氧化物溝道的全室溫工藝透明TFT。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明,器件的工作電壓僅為1.0 V,電流開關(guān)比達(dá)到了1.1×106,亞閾值斜率為110mV/dec,溝道的場效應(yīng)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(jī)離子,明顯增強(qiáng)了柵介質(zhì)的雙電層電容。利用這種復(fù)合柵介質(zhì),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(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了。同時(shí),發(fā)現(xiàn)采用溶液浸泡工藝的復(fù)合柵介質(zhì)能進(jìn)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(zhì),得

5、到的器件亞閾值斜率為72mV/dec,電流開關(guān)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(zhì),得到的器件亞閾值斜率為78mV/dec,電流開關(guān)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(dǎo)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(guān)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(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域引發(fā)新的研究興趣和研究價(jià)值。
　　(5)在掩膜板繞射工藝的基礎(chǔ)上,成功實(shí)現(xiàn)了單側(cè)柵以及雙側(cè)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(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)表明,全透明單側(cè)柵自組裝ITO溝道TFT顯示出了良好的器件性能:電流開關(guān)

7、比達(dá)到了2×106,亞閾值斜率為125mV/dec。而當(dāng)雙柵TFT的第二柵極電壓VG2從3.0V變化到-2.0V時(shí),器件的閾值電壓會(huì)相應(yīng)地從-0.55V調(diào)制到0.76V。在這些相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上,我們提出了側(cè)柵電容串聯(lián)耦合模型來解釋側(cè)柵電壓靜電調(diào)控機(jī)制。實(shí)驗(yàn)和理論分析證明,SiO2納米顆粒膜柵介質(zhì)與絕緣襯底之間的那層導(dǎo)電薄膜起著至關(guān)重要的作用:正是它將側(cè)柵電容和溝道下面的柵電容建立了有效的串聯(lián)耦合。對(duì)于雙側(cè)柵TFT,進(jìn)一步提出了一個(gè)三電

8、容靜電耦合模型,從定量的層面上解釋了側(cè)柵調(diào)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(jié)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(zhì)和結(jié)構(gòu)尺寸完全一樣。制作成功了基于柔性紙張的無結(jié)TFT,以及柵極和源漏還有溝道全在一個(gè)平面上的無結(jié)共平面柵透明TFT。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)射頻濺射的IT