氧化物IZO薄膜晶体管

复旦大学硕士毕业论文答辩——非晶铟锌氧化物薄膜晶体管的研究SiO2薄膜的制备及性能研究3IZO薄膜的制备及性能研究2IZO-TFT的制备及性能研究4结论与展望5研究背景11.研究背景平板化、大型化、高清晰度数据总线地址总线电流源OLED数据总线地址总线像素电极CsOLED驱动电路LCD驱动电路1.研究背景薄膜晶体管（TFT）a-SiTFT场效应迁移率低(μFE1cm2V-1s-1)不透明，开口率100%光敏性强1.研究背景p-SiTFT大面积制备困难均匀性差制备温度较高1.研究背景沟道层绝缘层μFE(cm2V-1s-1)Ion/IoffVth(V)SnO2PbZr0.2Ti0.8O3560-2a-ZnOATO89×10522.5a-IZOSiO215~106-5a-IZOSiO24.5105-6.5a-IGZOY2O3121081.4sc-IGZOa-AlOx1~101053几种氧化物TFT及其性能1.研究背景1.研究背景1.较高的μFE和Ion/Ioff——较大的驱动电流、较快的器件响应速度2.溅射技术——大面积制备均匀3.低温制备——采用塑料基板，应用在柔性显示氧化物TFT的特点1.研究背景铟锌氧化物(indiumzincoxide,IZO)——宽禁带n型2000年之前，主要工作为研究应用于太阳能电池，平板显示电极ChannelMaterialTargetMaterialDep.MethodμFE(cm2V-1s-1)Ion/IoffVth(V)a-IZOceramicRFMS45~55106-20~-10a-IZOceramicRFMS0.531061.1a-IZOceramicRFMS401073~10a-IZOceramicRFMS4~181052.5a-IZOceramicRFMS49.91083.5a-IZOceramicDCMS20108-3.2研究内容：(1)直流磁控溅射法(DCMS)制备IZO沟道层——相关报道多为射频磁控溅射；靶材设计(2)脉冲等离子体沉积法(PPD)制备SiO2绝缘层——类似于PLD，未见报道(3)初步尝试IZO-TFT的制备研究目的：探讨DCMS法制备IZO沟道层的可行性，探索制备IZO-TFT的实验条件，研究影响TFT性能的因素1.研究背景SiO2薄膜的制备及性能研究3IZO薄膜的制备及性能研究2IZO-TFT的制备及性能研究4结论与展望5研究背景和研究内容1直流磁控溅射法实验参数靶材InZn合金靶与基板间距10cm本底压强2×10-3Pa氧气压强3~5×10-2Pa工作压降3×10-1Pa溅射电流100mA溅射电压390~410V温度及时间室温10min2.IZO薄膜的制备和性能研究2.IZO薄膜的制备和性能研究TargetlabelZn/(Zn+In)intarget(wt.%)expectionofZnO/(ZnO+In2O3)inthefilms(wt.%)No.3029.430No.4039.340No.5049.250靶材设计(1)晶体结构2.IZO薄膜的制备和性能研究1020304050607080No.30targetNo.50targetNo.40targetIntensity2(deg.)(2)表面形貌No.30targetNo.40targetNo.50target2.IZO薄膜的制备和性能研究RrmsnmRanmRpvnmNo.30target0.30.33.3No.40target0.70.510.3No.50target0.90.517.32.IZO薄膜的制备和性能研究(2)表面形貌(3)电学性能2.53.03.54.04.55.05.510-410-2100102104106Resistivity(·cm)PO2(10-2Pa)ABCρ(Ω·cm)1.03×10-31.19×10-38.73×10-3n(cm-3)6.37×10205.41×10201.28×1020μ(cm2V-1s-1)9.529.725.96ABC2.IZO薄膜的制备和性能研究300400500600700800900020406080100PO2=5.0PaPO2=4.5PaPO2=4.0PaPO2=3.5PaPO2=3.0PaTransmission(%)Wavelength(nm)(4)光学性能2.IZO薄膜的制备和性能研究Eg：3.34~3.53eV2.53.03.54.001020304050PO2=5.0×10-2PaPO2=4.5×10-2PaPO2=4.0×10-2PaPO2=3.5×10-2Pa(ahv)2(1010cm-2eV2)hv(ev)(5)小结i室温制备的IZO薄膜均为非晶结构，表面平整ii在较高氧分压下制备的非晶IZO薄膜都具有较好的透明性，Ta%80%iiiNo.30靶材制备的IZO薄膜更加平整，且在PO2=5×10-2Pa时具有~106Ω·cm的电阻率，可应用于TFT沟道层2.IZO薄膜的制备和性能研究SiO2薄膜的制备及性能研究3IZO薄膜的制备及性能研究2IZO-TFT的制备及性能研究4结论与展望5研究背景和研究内容1脉冲等离子沉积SiO2实验参数靶材石英玻片本底压强2×10-3Pa氧气压强2.0~3.0×10-2Pa工作电压-15kV工作电流5mA脉冲频率2Hz温度和时间室温20min3.SiO2薄膜的制备和性能研究(1)表面形貌Rms：35.7nmRa：32.8nmRp-v：58.2nm3.SiO2薄膜的制备和性能研究(2)电学性能-10-8-6-4-2024681018202224PO2=2.4×10-2PaPO2=2.6×10-2PaC(nF/cm2)V(V)PO2=2.8×10-2Pa3.SiO2薄膜的制备和性能研究2.5mm2.5mmAlSiO2MIM结构2.02.22.42.62.83.01401451501551601651701751801853.703.753.803.853.903.954.00RelativedielectricconstantPO2(10-2Pa)Thickness(nm)3.SiO2薄膜的制备和性能研究(2)电学性能C=ε0·εr·S/d300400500600700800900020406080100Transmission(%)Wavelength(nm)PO2=2.4x10-2PaPO2=2.6x10-2PaPO2=2.8x10-2Pa3.SiO2薄膜的制备和性能研究(3)光学性能i室温PPD制备的SiO2薄膜平整性与非晶IZO相比较差iiSiO2薄膜在一定氧压范围内具有介电性能，在PO2=2.8×10-2Pa时，εr=3.92iiiSiO2薄膜具有很好的透明性，Ta%80%3.SiO2薄膜的制备和性能研究(4)小结SiO2薄膜的制备及性能研究3IZO薄膜的制备及性能研究2IZO-TFT的制备及性能研究4结论与展望5研究背景和研究内容1顶栅结构TFT的制备流程4.IZO-TFT的制备和性能研究GlasssubstrateIZOAlS/DSiO2AlGateGlasssubstrateIZOAlS/DSiO2AlGateGateDrainSourceChannelInsulatortopview4.IZO-TFT的制备和性能研究源漏电极Al2O3陶瓷掩模4.IZO-TFT的制备和性能研究器件结构顶栅&底栅沟道层No.30target氧气压强4~6×10-2Pa绝缘层SiO2氧气压强2.8×10-2Pa电极Al温度室温实验参数：4.IZO-TFT的制备和性能研究(1)IZO沟道层对器件性能的影响IZO编号IZO-AIZO-BIZO-C氧分压(10-2Pa)4.05.06.0器件编号TFT-ATFT-BTFT-C结构顶栅W/L500/1004.IZO-TFT的制备和性能研究02468100100200300400500VGS=5VVGS=4VVGS=3VVGS=2VVGS=1VIDS(A)VDS(V)TFT-A02468100102030VGS=5VVGS=4VVGS=3VVGS=2VVGS=1VIDS(A)VDS(V)TFT-B02468100.00.51.01.5VGS=5VVGS=4VVGS=3VVGS=2VVGS=1VIDS(A)VDS(V)TFT-C4.IZO-TFT的制备和性能研究(1)IZO沟道层对器件性能的影响器件编号TFT-ATFT-BTFT-C饱和情况×☆☆☆IDS(μA)(VGS=5V,VDS=10V)×301.24.IZO-TFT的制备和性能研究(1)IZO沟道层对器件性能的影响SiO2IZOChannelSourceSubstrateDrainGate80nm80nm200nm60nmSiO2IZOChannelSourceSubstrateDrainGate80nm80nm200nm60nm顶栅底栅W/L=400μm/40μm4.IZO-TFT的制备和性能研究(2)结构对器件性能的影响024681012141618200123VG=-1VVG=1VVG=3VVG=5VVG=7VIDS(A)VDS(V)输出特性-505101510-910-810-710-610-50123VDS=10VIDS(A)IDS1/2(10-3A1/2)VGS(V)转移特性SiO2IZOChannelSourceSubstrateDrainGate80nm80nm200nm60nm4.IZO-TFT的制备和性能研究(2)结构对器件性能的影响SiO2IZOChannelSourceSubstrateDrainGate80nm80nm200nm60nm0510152005101520IDS/μAVDS/VVGS=10VVGS=8VVGS=6VVGS=4VVGS=2VVGS=0V输出特性-4-2024681010-810-710-610-510-40246VDS=12VIDS1/2(10-3A1/2)IDS(A)VGS(V)转移特性4.IZO-TFT的制备和性能研究(2)结构对器件性能的影响IDS(μA)(VGS=8V,VDS=8V)μFE(cm2V-1s-1)Ion/IoffVth(V)~12A4.081030.5~30.19103-2.5SiO2IZOChannelSourceSubstrateDrainGate80nm80nm200nm60nmSiO2IZOChannelSourceSubstrateDrainGate80nm80nm200nm60nm2(-)2OXDSGSthWCIVVL4.IZO-TFT的制备和性能研究(2)结构对器件性能的影响2)(2thGSiDSVVLWCI顶栅底栅4.IZO-TFT的制备和性能研究(2)结构对器件性能的影响a-IZOSiO2SubstrateSiO2Substratea-IZOSmoothinterfaceRoughinterfaceiIZO沟道层主要影响TFT饱和情况及饱和电流大小。在氧气压强为5×10-2Pa下制备的沟道层，TFT具有最优的输出特性曲线ii器件结构对性能影响明显，由于具有更加平整的沟道层-绝缘层界面，顶栅结构TFT具有更大的场效应迁移率4.IZO-TFT的制备和性能研究(3)小结SiO2薄膜的制备及性能研究3IZO薄膜的制备及性能研究2IZO-TFT的制备及性能研究4结论与展望5研究背景和研究内容1结论：(1)室温DCMS法制备的IZO薄膜为非晶结构，表面平整，透明性优良，具有氧压调控的电阻率，可应用于TFT沟道层；直流磁控溅射金属靶制备a-IZO国内外都未见报道(2)室温PPD制备了SiO2薄膜，透明性良好，εr=3.92；PPD法制备SiO2薄膜在国内外都未见报道(3)IZO沟道层主要影响TFT饱和情况及饱和电流大小；由于薄膜表面平整度的影响，顶栅TFT具有更高的场效应迁移率；提出了器件结构对性能影响的解释5.结论与展望(4)优化实验参数，制备出了性能优良的TFT:μFE=4.08cm2