全水溶液法制备高性能In2O3薄膜晶体管及其在逻辑器件中的应用

摘要

金属氧化物半导体作为薄膜晶体管(TFT)的优良沟道材料，在液晶显示器(LCD)，有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)以及其他新兴的电子应用领域(如互补型金属氧化物半导体(CMOS)和逻辑门器件）有重要的应用。与传统的硅基薄膜晶体管相比，金属氧化物薄膜晶体管由于其高迁移率，低温合成工艺，良好的稳定性和高光学透射率等优异的性能而被广泛研究。本论文基于节约成本，环境友好型的发展战略，采用了无毒，环境友好，低成本的水溶液方法（以水作为溶剂的溶液法）作为制备器件的关键技术，并引入high-k介电材料来替代传统的SiO2绝缘层以追求低功耗的TFT器件，最后将性能优化的TFT器件应用于电阻负载型反相器，具体的研究内容和结果分为以下三个部分: 1.引入水溶液法制备了In2O3薄膜，系统研究了水溶液法制备的In2O3薄膜的结构、光学、表面粗糙度、化学组分等性能，并探讨了其作为TFT沟道层的可能性。基于ALD200℃低温制备了超薄(20nm)Al2O3绝缘层，构筑了In2O3/Al2O3TFT器件，研究了退火温度对薄膜晶体管的电学性能的影响。280℃退火温度的器件显示了优化的电学性能，器件迁移率高达11.85cm2V-1S-1，基于In2O3/Al2O3TFT构筑的电阻负载型反相器也显示出良好的反相器行为特性。研究结果展现了In2O3薄膜晶体管在低成本、低功耗、大面积环保型氧化物柔性电子器件的潜在的应用前景。 2.采用简单、低成本、环保的水溶液法制备了一种新型ZrAlOx介电薄膜。研究了退火对ZrAlOx薄膜的显微结构、透光率、表面形貌、化学成分和电学性能的影响。结果表明，500℃退火的ZrAlOx薄膜具有良好的非晶态，高透光率，表面形貌光滑，大面积电容和低漏电流密度。采用全水溶液法成功制备了In2O3/ZrAlOx薄膜晶体管。TFT器件显示了优异的低压(3V)驱动能力。电阻负载型反相器展现出良好电压传输特性和高的电压增益。此外，在2V的低电压下获得了具有全摆特性的动态响应特性，这些优良的参数展现了其在低成本、高透明度、便携式和低功耗电子器件中的巨大应用价值。 3.首次采用水溶液法制备了新型ZrGdOx介电薄膜，并研究了其在TFT器件中的栅介质应用。结果表明400℃退火的ZrGdOx薄膜拥有极好的栅介质特性。利用全水溶液法成功地制备了In2O3/ZrGdOxTFT并构建了一个电阻负载型反相器，优化后的250℃退火的TFT显示了高达18.82cm2V-1S-1的迁移率和开关比为107的优异电学性能。电阻负载型反相器具有全摆幅特性，增益高达7.4。这是实现低成本、低功耗和大面积氧化物柔性电子的重要一步。