低电压氧化物基纸张双电层薄膜晶体管

摘要

近年来，纸张薄膜晶体管(TFT)引起了越来越多的研究兴趣，因其成本低廉、可再生、便于携带和大规模生产等特点而广泛应用于电子纸、商品标签、柔性显示等领域。当前，国内外研究的常规纸张薄膜晶体管受限于纸张表面的粗糙度、工艺温度不能太高等因素而面临重重困难。在一般的文献报道中，纸张薄膜晶体管的工作电压过高，基本上达到10V以上，这也不利于纸张薄膜晶体管的实际应用。在本论文中，我们针对以上这些问题，提出并实验了相应的解决办法，制备出性能良好的纸张薄膜晶体管。具体工作细节如下:
　　 (1)使用离子增强型化学气象沉积系统(PECVD)生长的二氧化硅(SiO2)薄膜表现出优异的双电层效应，其物理厚度达到4～8μm，而其等效厚度只有～1nm，该栅介质的单位电容可高达1.0μF/cm2以上。为了加强栅介质的双电层效应，我们对SiO2进行离子溶液的浸泡，使Ca2+、K+、Na+等进入二氧化硅膜层，在外加电场的作用下随之迁移，从而达到增强栅介质双电层效应，优化器件的饱和迁移率、亚阈值斜率、电流开关比、器件工作电压等电学性能的目的。采用Ca2+离子溶液浸泡的二氧化硅薄膜作为栅介质的TFT，得到的单位电容为4.2μF/cm2，电子迁移率为13 cm2/Vs，电流开关比1.0×106，亚阈值斜率为80 mV/decade。经过Na+离子浸泡过的SiO2作为栅介质的TFT，同样表现出优异的器件性能，栅介质的单位电容达到4.7μF/cm2，迁移率高达42.8 cm2/Vs，开关电流比＞l.0×l06，亚阈值斜率低至90 mV/decade。
　　 (2)在薄膜晶体管的栅介质选材方面，我们不止研究了无机材料，比如二氧化硅，有机材料同样是我们的研究范围。用溶胶凝胶法制备的壳聚糖膜层同样表现出良好的双电层效应。该栅介质制备方法简单，原料成本低廉，无毒无害，适用于大规模生产。采用旋涂法制备得到的壳聚糖薄膜表面光滑均匀，膜层清晰，与衬底黏着性好，其单位电容同样可达到1.0μF/cm2以上。为了进一步提高TFT的器件性能，我们尝试了双层栅介质的制备方法，在SiO2膜的上面制备壳聚糖薄膜，共同作为TFT的栅介质，得到了良好的器件性能，高达7.8 cm2/Vs的电子迁移率，7.8×105的电流开关比，亚阈值斜率为100 mV/decade。
　　 (3)针对纸张表面粗糙度影响薄膜晶体管器件性能这一问题，国内外很多科研小组作了相关研究，有人提出用有机物旋涂法对纸张表面进行平坦化处理。我们课题组采用PECVD沉积SiO2、 SiN等无机物处理纸张表面的方法，经过扫描电子显微镜观察对比，纸张表面粗糙度明显下降，相应的薄膜晶体管性能也得到了明显提高。采用离子增强型化学气象沉积法沉积二氧化硅等物质作为纸张表面的平坦层具有可大规模生产、成本低、可控性强都优点。利用SiO2作为钝化层制备的TFT具有14.6 cm2/Vs的饱和电子迁移率，100 mV/decade的亚阈值斜率，电流开关比达到1.5×106。
　　 (4)在用射频磁控溅射制备TFT沟道层的时候，我们发现由于掩膜版与样品之间有一定的空隙，所以会造成绕射现象的发生。基于这一现象，我们成功制备出自组装薄膜晶体管，从而精简了TFT的制备工艺，降低了TFT的制备成本，并得到性能优良的薄膜晶体管。器件的开关电流比达到107，亚阈值斜率为～70 mV/decade，器件的工作电压＜1.5 V。自组装沟道制备的TFT进一步简化了传统TFT的制备工艺，在低成本高性能电子产品领域有很高的研究和应用价值。
　　 (5)基于自组装沟道的制备工艺，我们课题组制备出单侧栅和双侧栅TFT，该工艺是在制备TFT源漏电极时同时形成侧栅。实验结果显示，用该工艺制备的纸张薄膜晶体管表现出优异的电学性能。亚阈值斜率达到80 mV/decade，电流开关比4×106，饱和电子迁移率为10 cm2/Vs。我们还发现，改变双侧栅薄膜晶体管的第二个栅极所加的电压，可以有效控制TFT的阈值电压的偏移。测试结果显示，当第二个栅压从2.0 V逐步减少到-2.0 V时，该TFT的阈值电压会随之从-0.14 V逐步增大到1.15V。如果在两个栅极上加入有规律的脉冲电压，测试结果显示，该TFT的输出电流表现出或门的逻辑功能。这为该种TFT在电子电路方面的应用打下了坚实的基础。
　　 (6)通过对自组装工艺的进一步研究，随着电极膜层厚度的适当减小，我们制备出无结TFT，这种TFT的源漏电极和沟道层的材料和尺寸完全一样。电流开关比达到5.8×106，亚阈值斜率为0.12 V/decade。跟普通TFT类似，这种结构同样适用于单侧栅和双侧栅TFT的制备。当第二个栅压从2.0 V逐步减少到-2.0 V时，该TFT的阈值电压会随之从-0.53 V逐步增大到0.97 V。在该TFT的两个栅极上施加相应的脉冲电压后，输出电流表现出与门的逻辑功能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 薄膜晶体管的工作原理以及发展

1．2．1 薄膜晶体管的工作原理

1．2．2 纸张薄膜晶体管的发展

1．3 纸张薄膜晶体管的应用

1．3．1 电子纸

1．3．2 射频识别

1．4 本文选题依据、意义以及研究内容

1．4．1 本文选题的依据与意义

1．4．2 研究内容

第2章 SiO2与壳聚糖的制备与应用

2．1 引言

2．2 SiO2固态电解质

2．2．1 SiO2固态电解质的制备过程

2．2．2 Ca2+引入SiO2在TFT中的应用

2．3 壳聚糖固态电解质

2．3．1 壳聚糖固态电解质的制备过程

2．3．2 壳聚糖固态电解质在TFT中的应用

2．4 本章小结

第3章 具有SiO2钝化层的低电压纸张TFT

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂以及设备

3．2．2 具有SiO2钝化层纸张TFT的制备

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 SiO2钝化层的形貌以及平坦化效应

3．3．2 纸张钝化TFT的电学特性分析

3．4 本章小结

第4章 壳聚糖栅介质在TFT中的应用

4．1 引言

4．2 纸张壳聚糖TFT的制备与性能分析

4．2．1 纸张壳聚糖TFT的制备

4．2．2 纸张壳聚糖TFT的性能分析

4．3 复合栅介质TFT的制备与性能分析

4．3．1 复合栅介质TFT的电学特性分析

4．3．2 复合栅介质TFT的老化特性研究

4．4 本章小结

第5章 壳聚糖基单双侧栅纸张TFT

5．1 引言

5．2 实验试剂和设备

5．2．1 实验试剂以及设备

5．2．2 单／双侧栅纸张TFT的制备工艺

5．3 实验结果与讨论

5．3．1 单侧栅纸张TFT的电学性能

5．3．2 双侧栅纸张TFT的电学性能

5．4 本章小结

第6章 壳聚糖基无结纸张TFT

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 实验试剂以及设备

6．2．2 低电压无结纸张TFT的制备

6．3 实验结果与讨论

6．3．1 无结纸张TFT的电学特性分析

6．3．2 无结双侧栅纸张TFT的电学特性

6．4 本章小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间发表的学术论文

附录B 攻读学位期间参与科研项目

致谢