基于薄膜晶体管应用的功能薄膜AIN和ZnO的生长与特性研究

摘要

作为下一代光电子器件，透明电子器件正在国际上引起广泛的关注。透明的薄膜晶体管(TFT)作为当前最具有商业价值的透明电子器件，即将成为有源矩阵液晶显示(AMLCD)和有机发光显示(OLED)的关键技术。目前硅基TFT(特别是非晶硅TFT)正面临一系列性能瓶颈：光敏性强、场效应迁移率低以及材料的不透明性。利用透明的氧化物半导体材料—氧化锌(ZnO)制备的TFT可以在一定程度上克服这些困难。ZnO是一种多功能的宽禁带直接带隙半导体材料，具有六角纤锌矿型的晶格结构，室温下禁带宽度约为3.37eV，对可见光的透射率很高。此外，利用磁控溅射法可以在较低的衬底温度下制备高质量的多晶ZnO薄膜，这对于电子驱动的响应速度是十分有利的。氮化铝(AlN)是一类重要的宽带隙Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，电阻率高，击穿场强大，适合作为绝缘材料应用于TFT结构。此外，由于AlN的晶格结构与ZnO相同，所以也可作为生长高质量ZnO薄膜的缓冲层，并改善ZnO/AlN界面结构。 本论文中利用射频磁控反应溅射技术在不同的衬底上制备出高质量的AlN和ZnO薄膜，用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)、傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)、喇曼光谱仪和紫外—可见分光光度计等测试手段对沉积薄膜的结构和光学性能进行了表征。结果发现，AlN薄膜的择优取向与氮氩气压比PN2/PAr、溅射气压Ps、衬底温度Ts和射频功率P有很大关系。在PN2/PAr=3：1，P=300W，Ts=300℃，Ps=0.5Pa的条件下，AlN薄膜c轴择优取向达到最佳；通过引入低温AlN缓冲层，显著增强了ITO玻璃衬底上沉积AlN薄膜的c轴择优取向，在晶粒增大的同时降低了表面平均粗糙度，为生长高质量的AlN薄膜提供了实验依据；此外，根据包络线法理论，利用透射率曲线的极值点计算得到可见光波段内AlN薄膜的折射率n和消光系数K。当λ=554nm时，n=2.0187，K=0.0077。 通过对ZnO薄膜的研究发现，工艺参数是影响薄膜结晶性能的关键因素。随着衬底温度的上升和射频功率的提高，ZnO薄膜(002)面衍射峰显著增强，晶粒尺寸进一步增大；溅射气压升高，(002)面衍射峰先增强后减弱，这主要是由溅射粒子在衬底表面沉积时的能量所决定的。ZnO薄膜的最优生长条件为：P=200W，Ps=1.0Pa，Ts=300℃，P02/PAr=1/2。从ZnO薄膜的AFM图中可以看出，薄膜表面由很多大小均匀，近六边形的晶粒紧密排列而成，晶粒沿着垂直于衬底表面的c轴呈柱状生长。此外，利用Forouhi-Bloomer色散模型，通过拟合透射率曲线，得到了K9玻璃上沉积的ZnO薄膜的折射率。在λ=633nm处，n=1.989，和文献中报道的结果是一致的。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1氧化锌薄膜晶体管(ZnO-TFT)

1.1.1 TFT的结构及工作原理

1.1.2 ZnO-TFT的研究现状

1.2半导体光电材料ZnO

1.2.1 ZnO的晶体结构和特性

1.2.2 ZnO薄膜的应用

1.2.3 ZnO薄膜的制备

1.3宽带隙绝缘材料AlN

1.3.1 AlN的晶体结构和特性

1.3.2 AlN薄膜的应用

1.3.3 AlN薄膜的生长

1.4本课题的研究内容和特色

参考文献

第二章薄膜的制备及性能测试

2.1溅射镀膜的基本原理

2.1.1辉光放电和溅射机理

2.1.2溅射特性

2.1.3溅射过程

2.1.4射频磁控反应溅射原理

2.2射频磁控溅射系统及工艺流程

2.2.1射频磁控溅射系统

2.2.2薄膜制备的工艺流程

2.3薄膜的性能测试

2.3.1薄膜的结构分析

2.3.2薄膜的表面形貌分析

2.3.2薄膜的光学性质测量

参考文献

第三章AlN薄膜的制备及结构和光学特性的研究

3.1 AlN薄膜的制备

3.2 AlN薄膜结构性能测试与分析

3.2.1工艺参数对AlN薄膜结晶性能的影响

3.2.2缓冲层对AlN薄膜微结构的影响

3.3 AlN薄膜的光学特性

3.3.1 AlN薄膜的透射光谱

3.3.2 AlN薄膜的红外吸收谱

3.3.3 AlN薄膜的喇曼光谱

参考文献

第四章ZnO薄膜的制备及结构和光学特性的研究

4.1 ZnO薄膜的制备

4.2 ZnO薄膜结构性能测试与分析

4.2.1工艺参数对ZnO薄膜结晶性能的影响

4.2.2 ZnO薄膜的表面形貌

4.3 ZnO薄膜的透射光谱

参考文献

第五章总结与展望

5.1对已完成工作的总结

5.2存在的问题与发展方向

5.2.1关于改进溅射工艺的建议

5.2.2 ZnO/AlN复合薄膜的制备及物理性能的测试

硕士期间完成的论文

致谢