全透明a-IGZO薄膜晶体管的制备及其性能的研究

摘要

氧化物薄膜晶体（TFT）具有迁移率高、可低温制备、可大面积制备、均匀性好、透明等一系列优点，所以在全透明显示以及柔性显示领域都有着巨大的发展潜力。本论文根据某些氧化物薄膜透明度高的这一特点制备了一系列基于a-IGZO材料为沟道层的全透明TFT。论文中成功的制备了全透明TFT，并且对全透明器件的绝缘层以及电极进行了研究以及优化。本论文的具体内容如下： （1）首先对全透明器件的绝缘层进行研究。论文中采用PMMA、PVA两种材料来作为全透明器件的绝缘层，并且分别制备了不同绝缘层转速下的TFT。研究发现，旋涂法制备的PMMA、PVA薄膜表面形貌良好，但PMMA薄膜的表面形貌要更为优异，并且提高旋转速度可以提高器件的整体性能。总体上，PVA薄膜的绝缘性能要优于PMMA薄膜，但是由于PVA薄膜表面形貌稍差，所以后续的研究选择了PMMA作为器件的绝缘层。 （2）确定了PMMA绝缘层的最佳转速之后，又对器件的电极进行了一系列的研究。首先研究了ITO、IGZO这两种薄膜在不同制备工艺下光电性能有何改变。在0％氧分压、溅射功率为125W、溅射时间为1500s，腔体压强为1mTorr下制备出的ITO薄膜电阻率最低，为1.54×10-4Ω·cm；在0％氧分压、溅射功率为125W、溅射时间为1500s、腔体压强为1mTorr下制备的IGZO薄膜电阻率最低。 （3）确定了透明电极的最佳制备工艺之后，制备了基于IGZO以及ITO作为透明电极的全透明TFT，两种器件都展示出了一定的性能，其中基于ITO电极的全透明TFT的性能更为优异。基于ITO电极的TFT开关比为1.7×104，迁移率为6.335cm2V-1s-1，阈值电压为0.8V，亚阈值摆幅为1.9V/decade。基于IGZO电极的TFT开关比为0.696×103，迁移率为4.101cm2V-1s-1，阈值电压为3.1V，亚阈值摆幅为6.4V/decade。 （4）为了提高基于IGZO透明电极的器件的整体性能，还对器件进行了退火处理，研究发现退火可以改善绝缘层与有源层之间的界面缺陷，提高载流子迁移率，退火后，器件的迁移率提高到了6.065cm2V-1s-1，阈值电压从3.1V下降到了1.6V。为了进一步提高器件的性能，制备了基于复合绝缘层的全透明TFT。在原有的PMMA绝缘层之前增加了一层超薄的原子层沉积（ALD）的氧化铝，复合绝缘层器件的迁移率为5.99cm2V-1s-1，开关比为0.87×104，阈值电压以及亚阈值摆幅分别为2.6V和3.5V/decade。

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 氧化物薄膜晶体管概述

1.2.1 氧化物半导体材料

1.2.2 氧化物薄膜晶体管发展历程

1.3 基于a-IGZO的薄膜晶体管概述

1.3.1 a-IGZO薄膜晶体管的文献综述

1.3.2 a-IGZO材料介绍

1.3.3 a-IGZO材料的应用前景

1.4 全透明a-IGZO薄膜晶体管概述

1.4.1透明导电氧化物

1.4.2 全透明a-IGZO薄膜晶体管研究现状

1.5 本论文研究的主要内容

第二章 a-IGZO薄膜晶体管的相关理论及测试平台

2.1 a-IGZO TFT的常见类型

2.2 a-IGZO TFT的工作原理

2.3 a-IGZO TFT的基本性能参数

2.3.1 载流子迁移率

2.3.2 开关比

2.3.3 阈值电压

2.3.4 亚阈值摆幅

2.4薄膜晶体管的表征方法以及测试仪器

2 .4.1 四探针测试仪

2.4.2 台阶仪

2.4.3 紫外-可见分光光度计

2.4.4 X射线衍射仪

2.4.5 扫描电子显微镜

2.4.6 原子力显微镜

2.4.7 Keithley 4200 SCS分析仪

2.5 本章小结

第三章有机绝缘层全透明a-IGZO TFT的制备及其性能研究

3.1有机绝缘层全透明a-IGZO TFT的结构设计

3.2 ITO玻璃基板的清洗

3.3 有机绝缘层的制备及薄膜形貌测试

3.3.1 PMMA薄膜的制备

3.3.2 PMMA薄膜的形貌测试

3.3.3 PVA薄膜的制备

3.3.4 PVA薄膜的形貌测试

3.4.1 a-IGZO薄膜的制备

3.4.2不同氧分压下a-IGZO薄膜的测试

3.4.2 不同功率下a-IGZO薄膜的测试

3.4.3 IGZO薄膜XRD分析

3.5 源漏电极的制备

3.6绝缘层工艺对a-IGZO TFT的性能影响

3.6.1 有机绝缘层TFT的制备参数

3.6.1 不同PMMA制备工艺对器件性能的影响

3.6.2 不同PVA制备工艺对器件性能的影响

3.7 本章小结

第四章 全透明薄膜晶体管的制备及其性能研究

4.1全透明a-IGZO TFT结构设计

4.2全透明a-IGZO TFT制备流程

4.3 制备工艺对ITO薄膜光电性能的影响

4.3.1 不同氧分压下ITO薄膜电学以及光学性能分析

4.3.2 不同溅射功率下ITO薄膜电学以及光学性能分析

4.3.3 不同溅射压强下ITO薄膜电学以及光学性能分析

4.3.4 不同厚度的ITO薄膜电学以及光学性能分析

4.4 制备工艺对IGZO薄膜光电性能的影响

4.4.1 不同氧分压下a-IGZO薄膜光学性能分析

4.4.2 不同溅射功率下a-IGZO薄膜光学性能分析

4.5基于不同透明电极的a-IGZO TFT的制备及其性能研究

4.5.1 ITO作为源漏电极的a-IGZO TFT的制备以及分析

4.5.2 IGZO作为源漏电极的a-IGZO TFT的电学性能分析

4.6退火对全透明a-IGZO TFT性能的影响

4.7复合绝缘层对全透明a-IGZO TFT性能的影响

4.8 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的成果