基于复合绝缘层的a-IGZO薄膜晶体管制备及其性能研究

摘要

自2003年细野秀雄教授发现并首次应用非晶态的氧化铟稼锌薄膜材料（Amorphous Indium Gallium Zinc Oxide，a-IGZO）制备薄膜晶体管（Thin Film Transistor，TFT）以来，a-IGZO TFT凭借其高迁移率、可见光区透明及非晶态结构等诸多优势，被认为是可应用于大尺寸显示及柔性显示领域的下一代薄膜晶体管材料。本论文主要研究基于复合绝缘层的a-IGZO TFT器件制备工艺对器件性能的影响，其中包括单Al2O3绝缘层与单聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate, PMMA）绝缘层的a-IGZO TFT器件制备工艺，Al2O3与PMMA复合绝缘层的制备工艺，以及有源层制备条件对复合绝缘层a-IGZO TFT器件性能的影响，具体内容为：
　　（1）首先研究了氧分压和溅射功率对 a-IGZO薄膜表面形貌及导电性能的影响，以获得制备 TFT所采用的 a-IGZO溅射工艺条件。结果表明：氧分压范围从0％到4%时，电阻率随氧分压升高而显著增大，表面粗糙度均方根值（Root Mean Square，RMS）则是先下降后升高，在2%时达到最优；溅射功率范围从120W到210W时，电阻率与表面粗糙度均随溅射功率升高而下降，但变化幅度较小，在180W以后不再出现明显变化。综合分析从而得出了a-IGZO薄膜的最佳制备工艺为氧分压2%，溅射功率180W。
　　（2）在确定 IGZO制备工艺的基础上，分别研究了基于反应磁控溅射法制备Al2O3绝缘层和旋涂法制备PMMA绝缘层的a-IGZO TFT器件。针对单Al2O3绝缘层器件，改变氧分压从16%到28%，分析得出氧分压为20%时制备的Al2O3薄膜表现出较好的绝缘性能，器件的关态漏电流降到10-7A量级的同时载流子迁移率提高至1.41cm2/V·s；随后基于单PMMA绝缘层，研究旋涂的速率对薄膜厚度及对应TFT器件的影响，旋涂法制备的薄膜表面粗糙度均小于0.5nm，远小于反应溅射Al2O3的结果，对应的TFT器件的关态性能较好，最小关态电流达到了10-9A，相比Al2O3下降了2个数量级，但器件的饱和输出能力较差。
　　（3）通过分析单绝缘层器件的优缺点，研究基于Al2O3和PMMA复合绝缘层的a-IGZO TFT器件与单绝缘层器件的性能对比，以及改变有源层溅射功率对复合绝缘层器件的影响。结果表明复合绝缘层可以有效降低器件的关态电流和亚阈值摆幅，开关比提升了近10倍，性能得到提升；通过对溅射功率的研究发现，随着溅射功率的提高，器件性能呈现出先上升后下降的趋势，功率为180W时的器件性能最好，载流子迁移率达到了1.23cm2/V·s，开关比为3×104，亚阈值摆幅降低到4.4V/dec。
　　（4）最后研究了导电a-IGZO缓冲层对复合绝缘层TFT器件的影响。发现通过添加一层3nm厚的导电性 a-IGZO缓冲层，器件的开态漏电流提高了一个数量级，同时关态漏电流下降了一个数量级，开关比提升到3.8×106，载流子迁移率提高到4.32cm2/V·s，是无缓冲层器件的3.43倍，阈值电压下降了36%，亚阈值摆幅降低至1V/dec。表明了a-IGZO缓冲层同样具有改善沟道界面性能的作用。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 氧化物薄膜晶体管简介

1.3 非晶铟镓锌氧化物半导体材料

1.4 非晶铟镓锌氧化物薄膜晶体管的研究现状

1.5 非晶铟镓锌氧化物薄膜晶体管的应用

1.6 本论文研究的主要内容

第二章 薄膜晶体管的相关理论、制备与表征方法

2.1 a-IGZO TFT的工作原理与结构类型

2.2 薄膜晶体管的主要性能参数

2.3 薄膜样品的制备

2.4 图形化工艺

2.5 薄膜晶体管的测试手段

2.6 本章小结

第三章 单绝缘层a-IGZO TFT器件的制备与研究

3.1 ITO玻璃基片的切割与清洗

3.2 ITO玻璃基片的清洗

3.3 a-IGZO薄膜的磁控溅射制备与测试

3.4 反应磁控溅射氧化铝的制备与分析

3.5基于单Al2O3绝缘层的a-IGZO薄膜晶体管制备与分析

3.6 溶液法旋涂有机绝缘材料的制备与分析

3.7 基于旋转涂布法制备有机绝缘层薄膜的a-IGZO薄膜晶体管

3.8 本章小结

第四章 基于复合绝缘层材料的a-IGZO TFT器件制备与研究

4.1 结构设计

4.2 基于复合绝缘层薄膜的a-IGZO TFT器件的制备流程

4.3 基于复合绝缘层薄膜的a-IGZO TFT性能研究

4.4 不同溅射功率下复合绝缘层a-IGZO TFT器件的制备与研究

4.5 缓冲层对复合绝缘层a-IGZO TFT器件性能的影响

4.6 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果