基于Al2O3栅介质的ZnO TFT制备与性能研究

摘要

薄膜晶体管（TFT）在平板显示、图形成像、阵列传感等领域有广泛的应用。第一代TFT以氢化非晶硅（α-Si:H）作为有源层材料，但其发展却囿于α-Si:H低的迁移率和电学不稳定性；高温多晶硅的出现在一定程度上提升了TFT性能，但制备需要的高温又限制了它的应用范围；有机薄膜晶体管（OTFT）可低温制备，而且制备成本低、工艺简单，但OTFT的迁移率提升困难，有机物本身性质也不够稳定。近年来以ZnO为代表的金属氧化物因其高的迁移率、对可见光透明、可低温制备、稳定性高等优势，被认为是最有可能取代Si基TFT的半导体材料，并且在柔性器件和可穿戴电子领域具有广阔的应用前景。热氧化硅晶圆即SiO2/Si基片是实验室研究TFT常用的基底，然而由于受到工艺水平的限制，低漏电流、高绝缘性的SiO2/Si仍然依赖进口，价格较贵，阻碍了TFT中新型有源层材料的实验室研究。本论文首先对不同长宽比的ZnO TFT器件进行了模拟仿真，得到了晶体管性能，并在此基础上对ZnO TFT进行了实验；之后研究了不同条件下溅射沉积的ZnO TFT性能，获得了具有优异的载流子输运特性的ZnO薄膜沉积工艺；在此基础上利用在Si片上原子层沉积（ALD）高K介质Al2O3作为绝缘层，验证了ALD生长的Al2O3，相对于SiO2介质制备的TFT具有显著的性能提升；最后还研究了双有源层ZnO/MgZnO的二维电子气模型的TFT，相比于ZnO TFT阈值电压降低了30%，开关比增大了一个数量级，尝试并制备了Gd掺ZnO有源层的TFT，分析了其性能退化的原因。 （1）利用TCAD软件对ZnO TFT器件进行模拟，研究了不同器件长宽比对器件性能的影响；在此基础上采用激光直写技术制备了不同长宽比的TFT器件，测试结果与仿真规律一致。 （2）采用ALD方法，以三甲基铝（C3H9Al）和水（H2O）为源，以在Si片上沉积一层100 nm的Al2O3的基片与100 nm厚SiO2/Si基片为衬底，分别制备了ZnO TFT。测试结果表明以高K介质Al2O3为绝缘层的ZnO TFT迁移率相比以SiO2为绝缘层的ZnO TFT提高了22倍，亚阈值摆幅降低了6倍，开关比达到了104，提高了一个数量级。 （3）采用磁控溅射方法，以金属Zn为靶材，以Al2O3/SiO2为双介质层，在3组不同的溅射工艺条件下制备了基于ZnO薄膜的TFT，对比了TFT器件的性能，找到了在本实验室条件下最佳的制备工艺：溅射过程中O2和Ar的比例为1:5，压强为0.3 Pa，温度为300℃，溅射功率为100 W，溅射时间为30 min。 （4）采用磁控溅射法，以MgZnO靶和ZnO靶制备了ZnO/MgZnO双有源层的TFT，与ZnO TFT进行了对比，分析了产生性能变化的原因；以Zn靶制备了ZnO掺Gd的TFT，分析了性能下降的原因。

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