氧对IZO低压无结薄膜晶体管稳定性的影响

本文在室温下制备了无结结构的低压氧化铟锌薄膜晶体管, 并研究了氧分压对其稳定性的影响. 氧化铟锌无结薄膜晶体管具有迁移率高、结构新颖等优点, 然而氧化物沟道层易受氧、水分子等影响, 造成稳定性下降. 在室温下, 本文通过改变高纯氧流量制备氧化铟锌透明导电薄膜作为沟道层、源漏电极, 分析了氧压对于氧化物无结薄膜晶体管稳定性的影响. 为使晶体管在低电压(<2 V)下工作, 达到低压驱动效果, 本文采用具有双电层效应和栅电容大的二氧化硅纳米颗粒膜作为栅介质; 通过电学性能测试, 制备的晶体管工作电压仅为1 V、 开关电流比大于10⁶、亚阈值斜率小于100 mV/decade以及场效 应迁移率大于20 cm²/V·s. 实验研究表明, 通氧制备的氧化铟锌薄膜的电阻率会上升, 导致晶体管的阈值电压向正向漂移, 最终使晶体管的工作模式由耗尽型转变为增强型. 关键词： 薄膜晶体管 无结 氧化铟锌 氧分子     

高迁移率非晶铟镓锌氧化物薄膜晶体管的制备与特性研究

由于铟镓锌氧化物(IGZO) 薄膜具有高迁移率和高透过率的特点, 它作为有源层被广泛的应用于薄膜晶体管(TFT). 本文利用磁控溅射方法制备了TFT的有源层IGZO和源漏电极, 用简单低成本的掩膜法控制沟道的尺寸, 制备了具有高迁移率、底栅结构的n型非晶铟镓锌氧化物薄膜晶体管 (IGZO-TFT). 利用X 射线衍射仪(XRD) 和紫外可见光分光光度计分别测试了IGZO薄膜的衍射图谱和透过率图谱, 研究了IGZO薄膜的结构和光学特性. 通过测试IGZO-TFT的输出特性和转移特性曲线, 讨论了IGZO有源层厚度对IGZO-TFT特性的影响. 制备的IGZO-TFT器件的场效应迁移率高达15.6 cm²·V^-1·s^-1, 开关比高于10⁷. 关键词： 非晶铟镓锌氧化物 薄膜晶体管 有源层     

N2O处理对背沟刻蚀金属氧化物薄膜晶体管性能的影响

通过采用稀土元素镨掺杂铟锡锌氧化物半导体作为薄膜晶体管沟道层,成功实现了基于铝酸的湿法背沟道刻蚀薄膜晶体管的制备.研究了N₂O等离子体处理对薄膜晶体管背沟道界面的影响,对其处理功率和时间对器件性能的影响做了具体研究.结果表明,在一定的功率和时间处理下能获得良好的器件性能,所制备的器件具有良好的正向偏压热稳定性和光照条件下负向偏压热稳定性.高分辨透射电镜结果显示,该非晶结构的金属氧化物半导体材料可以有效抵抗铝酸的刻蚀,未发现明显的成分偏析现象.进一步的X射线光电能谱测试表明, N₂O等离子体处理能在界面处形成一个富氧、低载流子浓度的界面层.其一方面可以有效抵抗器件在沉积氧化硅钝化层时等离子体对背沟道的损伤;另一方面作为氢的钝化体,抑制了低能级施主态氢的产生,为低成本、高效的薄膜晶体管性能优化方式提供了重要参考.     

退火温度和Ga含量对溶液法制备InGaZnO薄膜晶体管性能的影响

采用溶液法在玻璃衬底上制备InGaZnO薄膜,并以InGaZnO为沟道层制备底栅顶接触型薄膜晶体管,研究了退火温度和Ga含量对InGaZnO薄膜和晶体管电学性能的影响.研究表明,退火可以明显改善溶液法制备InGaZnO薄膜晶体管的电学性能.退火温度的升高会导致薄膜晶体管阈值电压的负向漂移,并且饱和迁移率和电流开关比增大.X射线光电子能谱测量表明,随退火温度的增加,InGaZnO薄膜表面吸附氧减少,沟道层中氧空位增多导致电子浓度增大.退火温度为380?C时,晶体管获得最佳性能.饱和迁移率随Ga含量的增加而减小.In:Ga:Zn摩尔比为5:1.3:2时,晶体管达到最佳性能:饱和迁移率为0.43 cm~2/(V·s),阈值电压为1.22 V,开关电流比为4.7×10~4,亚阈值摆幅为0.78 V/decade.     

钝化层对背沟道刻蚀型IGZO薄膜晶体管的影响

本文制备了氧化硅、聚酰亚胺以及氧化硅-聚酰亚胺堆叠结构钝化层的非晶铟镓锌氧背沟道刻蚀型薄膜晶体管.与传统氧化硅钝化层薄膜晶体管相比,聚酰亚胺钝化层薄膜晶体管的电学特性大幅提高,场效应迁移率从4.7提升至22.4 cm²/(V·s),亚阈值摆幅从1.6降低至0.28 V/decade,电流开关比从1.1×10⁷提升至1.5×10¹⁰,负偏压光照稳定性下的阈值电压偏移从–4.8 V下降至–0.7 V.电学特性的改善可能是由于氢向聚酰亚胺钝化层扩散减少了背沟道的浅能级缺陷.     

溶胶凝胶法制备透明IZO薄膜晶体管

采用溶胶凝胶法制备了非晶铟锌氧化物(a-IZO)薄膜,并作为薄膜晶体管(TFT)的有源层制备了a-IZO TFT。研究了IZO薄膜中铟锌比对薄膜性质及a-IZO TFT器件性能的影响。结果表明:溶胶凝胶法制备的IZO薄膜经低温(300℃)退火后为非晶结构,薄膜表面均匀平整、致密,颗粒大小为20 nm左右,并具有高透过率(>85%)。IZO薄膜中的铟锌比对薄膜的电学性能和TFT器件特性影响显著,增加In含量有利于提高薄膜和器件的迁移率。当铟锌比为3∶2时,所获得的薄膜适合于作为薄膜晶体管的有源层,制备的IZO-TFT经过相对低温(300℃)退火处理具有较好的器件性能,阈值电压为1.3 V,载流子饱和迁移率为0.24 cm2·V-1·s-1,开关比(Ion∶Ioff)为105。     

溶胶凝胶法制备高性能锆铝氧化物作为绝缘层的薄膜晶体管

本文采用溶胶凝胶法制备了锆掺杂铝氧化物(锆铝氧化物)和铪铟锌氧化物薄膜,并用于制造薄膜晶体管的绝缘层和有源层.锆铝氧化物绝缘层具有较高的介电常数,其相对介电常数为19.67,且薄膜表面光滑,致密,其表面粗糙度仅为0.31 nm.获得的薄膜晶体管具备良好的器件性能,当器件宽长比为5时,器件的饱和迁移率为21.3 cm2/V·s,阈值电压为0.3 V,开关比可以达到4.3×107,亚阈值摆幅仅有0.32 V/dec.     

非晶铟锌氧化物薄膜晶体管的低频噪声特性与分析

本文针对底栅结构非晶铟锌氧化物薄膜晶体管的低频噪声特性开展实验与理论研究.由实验结果可知:受铟锌氧化物与二氧化硅界面处缺陷态俘获与释放载流子效应的影响,器件沟道电流噪声功率谱密度随频率的变化遵循1/fγ(γ≈0.75)的变化规律;此外,器件沟道电流归一化噪声功率谱密度随沟道长度与沟道宽度的增加而减小,证明器件低频噪声来源于沟道的闪烁噪声,可忽略源漏结接触及寄生电阻对器件低频噪声的影响.最后,基于载流子数涨落及迁移率涨落模型,提取γ因子与平均Hooge因子,为评价材料及器件特性奠定基础.     

不同应力下碳化硅场效应晶体管器件总剂量效应及退火特性

以碳化硅场效应晶体管器件作为研究对象,对其开展了不同电压、不同温度下的钴源辐照实验以及辐照后的退火实验.使用半导体参数分析仪测试了器件的直流参数,研究了器件辐照敏感参数在辐照和退火过程中的变化规律,分析了电压、温度对器件辐照退化产生影响的原因,也探索了退火恢复的机理.结果表明:辐照感生的氧化物陷阱电荷是造成碳化硅场效应晶体管器件电学参数退化的主要原因,电压和温度条件会影响氧化物陷阱电荷的最终产额,从而导致器件在不同电压、不同温度下辐照后的退化程度存在差异;退火过程中由于氧化物陷阱电荷发生了隧穿退火,导致器件电学性能得到了部分恢复.     

基于Sb_2O_3/Ag/Sb_2O_3叠层透明导电薄膜的自组装沟道透明薄膜晶体管

首次利用Sb2O3/Ag/Sb2O3(SAS)叠层透明导电薄膜作为透明电极,并采用衍射自组装沟道的方法研制了一种透明薄膜晶体管。通过一次掩模工艺,在电子束热蒸发过程中的SAS源漏电极之间制作沟道层。SAS透明导电薄膜具有优异的光电性能。研制的透明薄膜晶体管具有良好的器件性能,其迁移率高达11.36cm2/(V·s)。整个器件在可见光范围内的平均透过率为80%。结果表明,这种透明薄膜晶体管有希望应用于低成本透明光电子产品中。     

同步对称双栅InGaZnO薄膜晶体管电势模型研究

研究了同步对称双栅氧化铟镓锌薄膜晶体管(InGaZnO thin film transistors,IGZO TFTs)的沟道电势,利用表面电势边界方程联合Lambert函数推导得到了器件沟道电势的解析模型.该模型考虑了IGZO薄膜中存在深能态及带尾态等缺陷态密度,能够同时精确地描述器件在亚阈区(sub-threshold)与开启区(above threshold)的电势分布.基于所提出的双栅IGZO TFT模型,讨论了不同厚度的栅介质层和有源层时,栅-源电压对双栅IGZO TFT的表面势以及中心势的调制效应.对比分析了该模型的计算值与数值模拟值,结果表明二者具有较高的符合程度.     

InGaZnO薄膜晶体管背板的栅极驱动电路静电释放失效研究

本文通过解析阵列基板栅极驱动(gate driver on array, GOA)电路中发生静电释放(electro-static discharge,ESD)的InGaZnO薄膜晶体管(InGaZnO thin-film transistor, IGZO TFT)器件发现:栅极Cu金属扩散进入了SiN_x/SiO_2栅极绝缘层;源漏极金属层成膜前就发生了ESD破坏;距离ESD破坏区域越近的IGZO TFT,电流开关比越小,直到源漏极与栅极完全短路.本文综合IGZO TFT器件工艺、GOA区与显示区金属密度比、栅极金属层与绝缘层厚度非均匀性分布等因素,采用ESD器件级分析与系统级分析相结合的方法,提出栅极Cu:SiN_x/SiO_2界面缺陷以及这三层薄膜的厚度非均匀分布是导致GOA电路中沟道宽长比大的IGZO TFT发生ESD失效的关键因素,并针对性地提出了改善方案.     

射频磁控溅射低温制备非晶铟镓锌氧薄膜晶体管

利用射频磁控溅射技术室温制备了铟镓锌氧(IGZO)薄膜,采用X射线衍射(XRD)表征薄膜的晶体结构,原子力显微镜(AFM)观察其表面形貌,分光光度计测量其透光率。结果表明:室温制备的IGZO薄膜为非晶态且薄膜表面均匀平整,可见光透射率大于80%。将室温制备的IGZO薄膜作为有源层,在低温(<200℃)条件下成功地制备了铟镓锌氧薄膜晶体管(a-IGZO TFT),获得的a-IGZO-TFT器件的场效应迁移率大于6.0 cm2.V-1.s-1,开关比约为107,阈值电压为1.2 V,亚阈值摆幅(S)约为0.9 V/dec,偏压应力测试a-IGZO TFT阈值电压随时间向右漂移。     

铟镓锌氧薄膜晶体管的悬浮栅效应研究

为了避免光照对铟镓锌氧薄膜晶体管(InGaZnO thin film transistors,IGZO TFTs)电学特性的影响,IGZO TFT要增加遮光金属层.本文研究了遮光金属栅极悬浮时,IGZO TFT的输出特性.采用器件数值计算工具TCAD(technology computer-aided design)分析了IGZO层与栅介质层界面处电势分布,证实了悬浮栅(floating gate,FG)IGZO TFT输出曲线的不饱和现象是由悬浮栅与TFT漏端的电容耦合造成.基于等效电容的电压分配方法,提出了悬浮栅IGZO TFT电流的一阶模型.TCAD数值分析及一阶物理模型结果与测试具有较高程度的符合,较完整地解释了悬浮栅IGZO TFT的电学特性.     

室温下溅射法制备高迁移率氧化锌薄膜晶体管

为降低氧化锌薄膜晶体管(ZnO TFT)的工作电压,提高迁移率,采用磁控溅射法在氧化铟锡(ITO)导电玻璃基底上室温下依次沉积NbLaO栅介质层和ZnO半导体有源层,制备出ZnO TFT,对器件的电特性进行了表征。该ZnO TFT呈现出优异的器件性能:当栅电压为5 V、漏源电压为10 V时,器件的饱和漏电流高达2.2 m A;有效场效应饱和迁移率高达107 cm~2/(V·s),是目前所报道的室温下溅射法制备ZnO TFT的最高值,亚阈值摆幅为0.28 V/decade,开关电流比大于107。利用原子力显微镜(AFM)对NbLaO和ZnO薄膜的表面形貌进行了分析,分析了器件的低频噪声特性,对器件呈现高迁移率、低亚阈值摆幅以及迟滞现象的机理进行了讨论。     

Migration of weakly bonded oxygen atoms in a-IGZO thin films and the positive shift of threshold voltage in TFTs

Amorphous indium-gallium-zinc oxide (a-IGZO) thin films are prepared by pulsed laser deposition and fabricated into thin-film transistor (TFT) devices. In-situ x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) illustrates that weakly bonded oxygen (O) atoms exist in a-IGZO thin films deposited at high O₂ pressures, but these can be eliminated by vacuum annealing. The threshold voltage (V_th) of the a-IGZO TFTs is shifted under positive gate bias, and the V_th shift is positively related to the deposition pressure. A temperature variation experiment in the range of 20 K-300 K demonstrates that an activation energy of 144 meV is required for the V_th shift, which is close to the activation energy required for the migration of weakly bonded O atoms in a-IGZO thin films. Accordingly, the V_th shift is attributed to the acceptor-like states induced by the accumulation of weakly bonded O atoms at the a-IGZO/SiO₂ interface under positive gate bias. These results provide an insight into the mechanism responsible for the V_th shift of the a-IGZO TFTs and help in the production of reliable designs.     

面向IGZO-TFT-AMOLED像素电路设计的V_(TH)检测方法研究

由于迁移率高、均匀性好、制备成本低等优势,铟镓锌氧化物薄膜晶体管(IGZO TFT)有望促成有源矩阵有机发光显示器件(AMOLED)的大规模量产。但是IGZO TFT存在阈值电压(VTH)漂移的问题,实用的AMOLED像素电路必须对VTH漂移进行补偿以实现较好的显示效果,而VTH的检测是AMOLED像素电路设计中的关键环节。本文系统研究了VTH检测方法,比较了放电法、充电法、偏置电流法补偿VTH的效果,研究了VTH检测时间和TFT寄生电容等参数的影响。研究结果表明:放电法不能精确地补偿负VTH漂移,充电法需要的VTH检测时间最长,偏置电流法能够达到的补偿精度最高。     

基于超薄Al2O3栅绝缘层的低工作电压IGZO薄膜晶体管及其在共源极放大器中的应用

随着薄膜晶体管(Thin-film transistor,TFT)在各类新兴电子产品中得到广泛应用,作为各类电子设备的关键组件,其工作电压和稳定性面临着巨大挑战。为了满足未来高度集成化、功能复杂的应用场合,实现其低工作电压和高稳定性就变得异常重要。我们在150 mm×150 mm大面积玻璃基底上,采用磁控溅射非晶铟镓锌氧化物(amorphous indium-gallium-zinc-oxide,a-IGZO)作为有源层,以原子层沉积(ALD)Al2O3为栅绝缘层,制备了底栅顶接触型a-IGZO TFT,并研究了50,40,30,20 nm超薄Al2O3栅绝缘层对TFT器件的影响。其中,20 nm超薄Al2O3栅绝缘层TFT具有最优综合性能:1 V的低工作电压、接近0 V的阈值电压和仅为65.21 mV/dec的亚阈值摆幅,还具有15.52 cm^2/(V·s)的高载流子迁移率以及5.85×10^7的高开关比。同时,器件还表现出优异的稳定性:栅极±5 V偏压1 h阈值电压波动最小仅为0.09 V以及优良的150 mm×150 mm大面积分布均一性。实现了TFT器件的低工作电压和高稳定性。最后,以该TFT器件为基础设计了共源极放大器,得到14 dB的放大增益。     

High performance IGZO/TiO2 thin film transistors using Y2O3 buffer layers on polycarbonate substrate

In this work, we fabricate IGZO TFT devices on flexible substrate at room temperature. The IGZO/TiO₂ TFT has small subthreshold swing of 0.16 V/dec, but suffers large gate leakage and negative threshold voltage. However, the TiO₂ TFT with Y₂O₃ buffer layers shows improved characteristics including a low threshold voltage of 0.55 V, a small sub-threshold swing of 0.175 V/decade and high field-effect mobility of 43 cm²/Vs. Such good performance can be attributed to the enhanced capacitance density and lowered gate leakage owing to the integration of large band gap Y₂O₃ and low-temperature higher-κ TiO₂.     

Specific contact resistance of IGZO thin film transistors with metallic and transparent conductive oxides electrodes and XPS study of the contact/semiconductor interfaces

In this work, the specific contact resistance (ρ_c) between amorphous indium-gallium-zinc-oxide (IGZO) semiconductor and different contact electrodes was obtained from thin film transistors (TFTs). Ti/Au (10/100 nm), aluminum doped zinc oxide (AZO, 100 nm) and indium tin oxide (ITO, 100 nm) were used as source/drain electrodes to fabricate IGZO TFTs. Chemical states of the contacts/semiconductor interfaces were examined by depth profile X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis to explain the origin of the differences on specific contact resistance. The lowest ρ_c achieved using Ti/Au was related to the formation of a TiO_x interlayer due to oxygen atoms diffusing out from the semiconductor under layer, increasing the carrier concentration of IGZO at the interface and lowering the ρ_c. On the contrary, no interfacial reactions were observed between IGZO and AZO or ITO source/drain. However, IGZO resistivity increased with ITO contacts likely due to oxygen vacancies filling during ITO deposition. This fact seems to be the origin of the high contact resistance between IGZO and ITO, compared to IGZO-AZO and IGZO-Ti/Au interfaces.