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低压氧化物薄膜晶体管的研究

作　者: 王丽萍
导　师: 万青
学　校: 湖南大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 薄膜晶体管氧化物半导体钛酸锶钡高介电常数微孔氧化硅双电层
分类号: TN321.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

近几年来,基于宽带隙氧化物半导体的薄膜晶体管得到了非常广泛的研究,因为它们电子迁移率高,处理温度低,与柔性衬底兼容且具有低生产成本的优势。但它们通常需要很大的工作电压才能获得高的迁移率和电流开关比,因此发现新型的低压薄膜晶体管已经成为近几年的研究热点之一。低工作电压的氧化物薄膜晶体管可以有效的减小器件和电路的功耗,在便携式电子学领域具有潜在的应用价值。在减小氧化物半导体薄膜晶体管工作电压的众多方法中,最合适也最为有效的方法是采用在栅极和沟道之间产生大电容耦合的介质材料作为栅绝缘层,以增大源漏电流,降低工作电压。这篇论文选择了两种室温下沉积的栅介质进行研究,并制备成两类薄膜晶体管器件,通过对薄膜和器件的性能测试来证明其实现低压薄膜晶体管的可行性。第一种栅介质是高介电常数(εr=37)的钛酸锶钡(Ba0.4Sr0.6TiO3,BST)薄膜。器件采用n+型Si(100)晶片作为衬底和公共的底栅,铟锡氧化物(ITO)作为沟道层和电极,沟道的长度和宽度分别为80μm和1000μm。测试结果表明:TFT的工作电压为5.0 V,工作在n沟道耗尽型模式,阈值电压为-3.7 V,场效应迁移率为3.2 cm2/Vs,亚阈值摆幅为0.5V/decade,电流开关比为1.4×104。第二种栅介质是具有双电层特性的微孔SiO2绝缘层。器件采用玻璃衬底,ITO作为底栅电极,Al掺杂ZnO (AZO)纳米晶薄膜作为沟道,Al作为源漏电极接触,沟道长度和宽度分别为100μm和1200μm。微孔SiO2栅绝缘层厚度为4μm,电容密度可达2.3μF/cm2。器件工作在2.0 V,阈值电压为0.4 V,展现了高性能的n型晶体管的特性,场效应迁移率,亚阈值摆幅和电流开关比分别为4.5 cm2/Vs,140 mV/decade和1.5×105。研究结果证明,基于BST和基于微孔SiO2栅介质的薄膜晶体管都具有低工作’电压的特性,非常有希望应用于下一代低压低功耗电子器件。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第1章绪论  10-24
  1.1 薄膜晶体管的基本理论  10-15
    1.1.1 薄膜晶体管的典型结构  10-12
    1.1.2 薄膜晶体管的工作原理  12-13
    1.1.3 性能参数分析  13-15
  1.2 薄膜晶体管的发展历史  15-18
  1.3 薄膜晶体管的分类和应用  18-22
    1.3.1 薄膜晶体管的分类  18-21
    1.3.2 薄膜晶体管的应用  21-22
  1.4 本文的研究背景和研究内容  22-24
第2章氧化物薄膜晶体管的相关工艺和测试技术  24-32
  2.1 薄膜晶体管衬底的清洗  24-25
  2.2 薄膜制备技术  25-30
    2.2.1 真空蒸发沉积技术  25-26
    2.2.2 磁控溅射沉积技术  26-28
    2.2.3 化学气相沉积技术  28-30
  2.3 TFT器件测试技术  30-31
    2.3.1 霍尔效应测试仪  30
    2.3.2 半导体参数测试仪  30
    2.3.3 阻抗分析仪  30-31
    2.3.4 扫描电子显微镜(SEM)  31
    2.3.5 X射线衍射仪(XRD)  31
  2.4 小结  31-32
第3章基于Ba_(0.4)Sr_(0.6)TiO_3栅介质的低压薄膜晶体管  32-41
  3.1 低压氧化物薄膜晶体管理论  32-33
  3.2 BST栅介质性能分析  33-36
    3.2.1 沉积温度对BST薄膜性能的影响  34-35
    3.2.2 本实验室制备的BST薄膜性能  35-36
  3.3 BST TFT的结构和性能分析  36-40
    3.3.1 BST TFT结构和制备过程  36-37
    3.3.2 器件的性能  37-40
  3.4 小结  40-41
第4章基于微孔SiO_2栅介质的低压薄膜晶体管  41-48
  4.1 微孔SiO_2的性能  41-43
    4.1.1 双电层的理论  41-42
    4.1.2 微孔SiO_2栅介质的性质  42-43
  4.2 基于微孔SiO_2栅介质的薄膜晶体管的性能  43-47
    4.2.1 器件结构和工艺  43-44
    4.2.2 AZO沟道层的性能  44-45
    4.2.3 器件的输出特性和传输特性  45-47
  4.3 小结  47-48
结论  48-49
参考文献  49-54
附录A (攻读学位期间所发表的学术论文目录)  54-55
致谢  55

低压氧化物薄膜晶体管的研究

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