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PMMA介质层铟锌氧化物薄膜晶体管的制备与研究

作　者: 冯佳涵
导　师: 张群
学　校: 复旦大学
专　业: 物理电子学
关键词: 铟锌氧化物 直流磁控溅射 聚甲基丙烯酸甲酯介质层 浸渍提拉法 薄膜晶体管
分类号: TN321.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


本文低温制备了以铟锌氧化物(IZO)为沟道层、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为介质层的薄膜晶体管。由反应直流磁控溅射法沉积无机IZO沟道层,浸渍提拉法制备有机PMMA介质层,真空热蒸发沉积金属铝电极。整体工艺温度低于90℃,与柔性电子学相兼容。分别对沟道层、介质层单层薄膜的表面形貌、光学性能和电学性能进行了表征。PMMA介质层/IZO沟道层两层薄膜的可见光区平均透射率高于90%(不含基板)。分析了沟道层厚度、溅射氧分压、靶材组分、介质层厚度等因素对铟锌氧化物薄膜晶体管(IZO-TFT)性能的影响,优化实验参数,改善器件性能。探索性地研究了TFT器件稳定性和低温制备透明电极。室温下反应直流磁控溅射In/Zn合金靶材于玻璃基板上沉积IZO沟道层。所制备的IZO薄膜为非晶结构,表面平整,可见光区平均透射率高于85%(不含基板)。包括沟道层厚度、溅射氧分压、靶材组分含量在内的实验参数对IZO-TFT的电学性能有影响。IZO厚度为60～90 nm时制备的器件性能较优。溅射氧分压为5.0×10-2Pa时制备得到饱和迁移率最高的IZO-TFT,数值是7.67cm2V-1s-1,其闽值电压为-14.59 V,开关比2.4×102。靶材中Zn含量的适当增加有利于提高TFT的饱和迁移率,同时关态电流略增。使用浸渍提拉法在IZO沟道层上制备有机PMMA介质层。PMMA薄膜表面十分平整,可见光区平均透射率达到92%(不含基板)。制备了AI-PMMA-A1的MIM结构,测试表明PMMA薄膜的介电性能良好,1 kHz时相对介电常数为3.49。随着PMMA介质层厚度在150～580 nm范围内增加,TFT的饱和迁移率和阈值电压均呈现先增加后减小的现象。调节介质层厚度在360 nm左右制备的IZO-TFT电学特性最优,饱和迁移率1.99 cm2V-1s-1,阈值电压-2.77 V,电流开关比约2.6×104。通过对IZO-TFT施加一定时间的固定栅极偏压,分析老化过程中器件饱和迁移率、阈值电压的偏移情况以判断其电学稳定性。先适当施加较小的栅极偏压进行一定时间的老化有利于提高器件稳定性。探索低温制备适用作电极的透明导电氧化物薄膜。室温下用反应磁控溅射沉积了非晶掺钨氧化铟(IWO)薄膜,调节氧分压与溅射功率以提高其导电性和透光性。掺钨含量1 wt%的IWO薄膜可达最小的薄膜电阻5.75×10-4Ω·cm,可见光区平均透射率高于90%。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-8
第一章 绪论  8-24
  1.1 引言  8-9
  1.2 薄膜晶体管的发展及应用  9-10
  1.3 薄膜晶体管的工作原理  10-16
  1.4 传统硅基薄膜晶体管  16-17
  1.5 氧化物薄膜晶体管  17-22
    1.5.1 国内外研究现状  17-18
    1.5.2 半导体沟道层材料  18-20
    1.5.3 介质层材料  20-21
    1.5.4 电极材料  21-22
  1.6 本论文的研究意义和研究内容  22-24
第二章 非晶铟锌氧化物薄膜晶体管的制备与表征  24-37
  2.1 制备方法  24-29
    2.1.1 直流反应磁控溅射制备无机沟道层  24-26
    2.1.2 浸渍提拉法制备有机介质层  26
    2.1.3 真空热蒸发制备金属电极  26-27
    2.1.4 薄膜晶体管的结构与制备步骤  27-29
  2.2 表征方法  29-37
    2.2.1 薄膜结晶性及组分测试  29-31
    2.2.2 薄膜表面形貌及厚度测试  31-32
    2.2.3 薄膜光学性能测试  32-33
    2.2.4 薄膜电学性能测试  33-36
    2.2.5 薄膜晶体管电学性能测试  36-37
第三章 非晶铟锌氧化物沟道层的研究  37-48
  3.1 引言  37-38
  3.2 沟道层薄膜的制备  38-39
  3.3 沟道层薄膜的性能分析  39-46
    3.3.1 薄膜的结晶性、表面形貌及组分分析  39-40
    3.3.2 薄膜的光学、电学性能  40-42
    3.3.3 沟道层厚度对TFT性能的影响  42-43
    3.3.4 溅射氧分压对TFT性能的影响  43-45
    3.3.5 靶材组分含量对TFT性能的影响  45-46
  3.4 本章小结  46-48
第四章 有机PMMA介质层的研究  48-54
  4.1 引言  48
  4.2 PMMA薄膜的制备  48-49
  4.3 介质层的性能分析  49-53
    4.3.1 薄膜的表面形貌  49-50
    4.3.2 薄膜的光学性能  50
    4.3.3 薄膜的介电特性  50-51
    4.3.4 介质层厚度对TFT性能的影响  51-53
  4.4 本章小结  53-54
第五章 器件稳定性及透明电极的探究  54-62
  5.1 引言  54
  5.2 器件稳定性  54-56
  5.3 透明电极  56-61
    5.3.1 薄膜制备方法  57
    5.3.2 薄膜的结晶性与表面形貌  57-58
    5.3.3 实验参数对薄膜光电性能的影响  58-61
  5.4 本章小结  61-62
第六章 全文总结  62-64
参考文献  64-68
附录 硕士生在读期间的科研成果  68-69
致谢  69-70

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 半导体三极管（晶体管） > 晶体管：按工艺分 > 薄膜晶体管
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