ZnO/BNT铁电薄膜晶体管阵列的制备及性能研究

摘要

薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)由于在平板液晶显示领域的潜在应用前景受到广泛关注。随着显示技术大尺寸、高分辨率的发展趋势和单元器件高集成度的发展需求，TFT器件的大面积整体成型和阵列制备技术成为决定其未来发展的关键。铁电TFT是利用铁电薄膜材料替代传统的绝缘层材料作为栅介质的一种新型TFT。由于铁电薄膜具有非易失特性，因此铁电TFT不仅可作为开关器件应用于液晶显示，也可作为逻辑单元应用于非挥发存储器。铁电TFT具有非破坏性读写和超快响应等优点。本文从实际应用出发，利用改进的脉冲激光沉积(PLD)法制备了大面积Bi3.15Nd0.85Ti3O12(BNT)铁电薄膜，对其制备工艺参数进行了优化。然后，以BNT薄膜为绝缘栅、以ZnO薄膜为沟道层，制备了ZnO/BNT铁电TFT。最后，完成了大面积ZnO/BNT铁电TFT阵列的制备。
　　本研究主要内容包括：⑴采用PLD方法在1cm×1cm的Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了一系列BNT铁电薄膜，用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、铁电分析仪等对薄膜的微观结构和电学性能进行了表征，研究了激光能量、氧气压强、生长温度对薄膜生长的影响。结果表明，在420 mJ激光能量、200 mTorr氧气压强、800 ℃衬底温度的实验条件下制备的BNT薄膜具有较好的性能。⑵通过扫描激光熔蚀靶材改进PLD方法，即扫描式PLD方法，利用上述优化的PLD基本工艺参数，在5 inch的n型重掺杂Si和Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了大面积BNT薄膜，通过薄膜厚度测试仪、X射线光电子能谱仪(XPS)、XRD、铁电分析仪和半导体参数测试仪对其厚度均匀性、组分均匀性、结晶均匀性以及电学性能进行了表征。结果表明，所制备的大面积BNT薄膜厚度偏差在±10％以内，成分均匀，不同区域的结晶性、光学性能、电学性能良好且基本一致。⑶以BNT为绝缘层、ZnO为沟道层通过 PLD法在1 cm×1 cm的Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了ZnO/BNT铁电TFT单元，分别对ZnO薄膜的表面形貌、结晶性及TFT单元的性能进行了表征。结果表明，所制备的铁电TFT单元具有较低的阈值电压、较高的沟道迁移率、较低的亚阈值摆幅和较大的开关电流比，其值分别为1.3V、2.4cm2/Vs、0.3V/decade和105。⑷结合上述研究，采用扫描式PLD方法在5 inch的Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了大面积ZnO/BNT铁电TFT阵列，对铁电TFT阵列的晶体管特性进行了表征。结果表明，不同区域的铁电TFT单元的阈值电压Vth均在2.5V以下，沟道迁移率μsat均超过1.84cm2/Vs，开关比均在103左右，且一致性较好。

目录

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 铁电薄膜场效应晶体管

1.2 大面积铁电TFT阵列

1.3 本论文的选题依据和主要内容

第2章 BNT薄膜的PLD法制备与性能优化

2.1 引言

2.2 BNT薄膜的PLD法制备及性能表征方法

2.3 PLD工艺参数对BNT薄膜生长的影响

2.4 小结

第3章 大面积BNT薄膜的制备与表征

3.1 引言

3.2 大面积BNT薄膜的PLD法制备

3.3 大面积BNT薄膜的表征

3.4 小结

第4章 ZnO/BNT铁电TFT的制备与表征

4.1 引言

4.2 ZnO薄膜的制备与性能表征

4.3 ZnO/SiO2 TFT的制备及性能研究

4.4 ZnO/BNT TFT的制备及性能研究

4.5 小结

第5章 ZnO/BNT铁电TFT阵列的制备与表征

5.1 引言

5.2 ZnO/BNT铁电TFT阵列的制备工艺

5.3 BNT薄膜厚度对ZnO/BNT铁电TFT性能的影响

5.4 ZnO/BNT铁电TFT阵列的性能

5.5 小结

第6章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士学位期间发表的论文及专利