磁控溅射沉积ZnO纳米薄膜及其TFT器件研究

摘要

薄膜晶体管在有源矩阵寻址液晶显示器(AMLCD)中处于关键地位,它的研发历来是该领域研究中的重点。非晶硅薄膜晶体管(α-Si TFT)易于在低温下大面积制备,技术成熟,是目前使用最广的技术。但由于α-Si材料的禁带宽度只有1.7eV,在可见光波段透过率较低,所以α-Si TFT的开口率未能达到100％,这阻碍了显示器件性能的进一步提高。
　　 氧化锌是一种Ⅱ-Ⅵ族直接、宽带隙化合物半导体材料,具有优异的光学和电学特性。常温下氧化锌禁带宽度为3.37eV,在可见光波段内具有高透过率,这使得氧化锌成为制备透明电子器件的重要候选材料之一。用氧化锌(ZnO)做有源层制备高性能的透明薄膜晶体管(ZnO TFT),并用它来做像素开关元件应用于有源矩阵,这可能使有源矩阵显示器性能得到较大提高。
　　 本文第一章首先介绍了ZnO材料的研究现状,然后介绍了磁控溅射的发展历史和背景。接下来简述了磁控溅射生长ZnO的背景。最后提出本文研究的内容。
　　 第二章首先介绍了本论文所使用的磁控溅射仪器,然后分析了在不同气氛下利用磁控溅射方法生长ZnO薄膜的区别。最后详细介绍了磁控溅射法制备ZnO薄膜的详细参数与工艺步骤。
　　 第三章对一系列不同气氛条件下生长的ZnO薄膜进行多项物理特性表征与分析。通过原子力显微镜(AFM)观察薄膜形貌,发现较低温度下生长的ZnO薄膜表面较高温样品表面平滑,Ar气氛下生长的ZnO薄膜表面比掺O2和纯O2气氛下生长的ZnO薄膜表面粗糙度大,而掺NH3后ZnO薄膜表面粗糙度比未掺NH3样品要大得多。XRD分析显示,较低温度下生长的ZnO薄膜半高宽比高温生长样品更小,纯Ar气氛下生长的ZnO薄膜晶体质量最差,将功率从180W降到120W以后,c-轴取向性明显增强。掺O2后的ZnO薄膜晶体质量进一步得到提高。对样品进行PL谱分析,纯Ar气氛下生长的样品不仅峰位红移到了410nm左右,而且在550nm以后有一些起伏,而掺O2后的样品峰位回到了404nm左右,550nm以后的起伏基本消除,但是过高O2分压对晶体质量进一步改善并不明显,反而可能出现更多缺陷。掺NH3以后的样品峰值比纯Ar气氛溅射的样品更强,但是峰位随着掺NH3含量的增加而红移。用纯O2溅射的样品强度比未掺O2样品强度大得多,且峰宽较窄,结晶质量有所提高。而纯NH3气氛下生长的样品与O2气氛下生长的样品相比,峰位相对红移,而强度也有所下降,说明只掺NH3后可能在近带边形成了杂质能带,而氧空位、锌填隙等缺陷没有因为掺NH3得到完全的改善而使得发光峰位红移。电阻率的测试结果表明纯Ar气氛下在衬底温度较低和较高的情况下薄膜电阻率较低,而掺氧后薄膜电阻率较高,在NH3气氛下生长ZnO的实验与掺氧样品相比成功达到了降低氧化锌电阻率的目的,而且在低功率,低温条件下生长效果更好。还利用塞贝克效应测量了ZnO薄膜的载流子浓度,发现大部分样品的载流子浓度是1018cm-3次数量级,说明生长的ZnO薄膜较为稳定,具有可重复性。
　　 本文第四章首先分析TFT的工作原理。由于TFT属于场效应晶体管(MOSFET)的一种,因此首先简述了MOSFET的工作原理,以及直流输出特性的推导与分析。然后介绍TFT常用的结构:顶栅式与底栅式。以顶栅式为例,通过两种不同的模型解释TFT的工作原理。接下来分析了TFT几个主要的工作参数:源漏电流,栅击穿,跨导,截止频率。最后简述了ZnO薄膜晶体管(ZnOTFT)的研究进展和现状。
　　 在第五章中,首先详细介绍了ZnO TFT的制作工艺流程,然后对制备的TFT器件进行电流-电压特性测试。本文尝试制备了以ITO做源漏电极,选择ZnO薄膜作为有源层,Si3N4做绝缘层,Al做栅电极的ZnO TFT。测试结果表明ZnO TFT器件呈现由栅压调控的源漏Ⅰ-Ⅴ特性曲线。分析发现栅极电压为零时源漏的漏电流偏大。分析了造成漏电流过大的因为,发现造成漏电流偏大的因为可能和湿法腐蚀工艺过程有关,因此器件工艺过程还有待进一步改进。

目录

文摘

英文文摘

第一章 综述

1.1 ZnO材料的研究现状(薄膜与纳米材料)

1.2 磁控溅射生长的发展历史

1.3 磁控溅射生长的原理

1.4 磁控溅射生长ZnO的背景

1.5 本文研究的意义与内容

1.6 参考文献

第二章 射频磁控溅射生长ZnO薄膜

2.1 使用的磁控溅射仪器介绍

2.1.1 设备组成

2.2 非掺杂ZnO薄膜生长

2.2.1 用Ar气溅射

2.2.2 用Ar+O2气溅射

2.2.3 用O2气溅射

2.3 掺氮ZnO薄膜生长

2.3.1 用Ar+NH3气溅射

2.3.2 用NH3气溅射

2.3.3 用O2+NH3气溅射

2.4 磁控溅射操作流程

2.4.1 玻璃清洗步骤

2.4.2 磁控溅射仪器详细操作步骤

2.4.3 磁控溅射管道清洗流程

2.5 小结

2.6 参考文献

第三章 ZnO薄膜的物理特性表征

3.1 测试方法介绍

3.1.1 EDX测组分原理

3.1.2 AFM测表面形貌原理

3.1.3 X射线衍射(XRD)原理

3.1.4 光荧光谱(PL)原理

3.1.5 塞贝克效应(SEEBECK EFFECT)原理

3.2 测试结果及分析

3.2.1 EDX测试结果及分析

3.2.2 AFM测试结果及分析

3.2.3 XRD测试结果及分析

3.2.4 PL测试结果及分析

3.2.5 电阻率测试结果及分析

3.2.6 塞贝克效应测试载流子浓度结果及分析

3.6 小结

3.7 参考文献

第四章 ZnO TFT器件原理

4.1 ZnO TFT的工作原理

4.1.1 MOSFET工作原理

4.1.2 电子注入模型

4.1.3 导电沟道模型

4.1.4 TFT主要参数

4.2 ZnO TFT的研究现状

4.3 参考文献

第五章 Zno TFT的器件制作及特性测试

5.1 ZnO TFT器件的制作

5.1.1 ITO玻璃清洗步骤介绍

5.1.2 ZnO薄膜晶体管生长工艺

5.1.3 ZnO薄膜晶体管制作工艺

5.2 ZnO TFT器件特性测试和分析

5.2.1 源漏电流-电压特性测试

5.2.2 栅漏电流特性测试

5.2.3 MIS结构C-V特性曲线

5.2.4 TFT器件特性曲线

5.2.5 测试结果分析

5.3 小结

第六章 工作总结和展望

攻读硕士期间发表的论文

致谢