毕业论文——Al掺杂ZnO薄膜晶体管的制备与表征
------------------------------------------------------------------------------------------------
毕业论文——Al掺杂ZnO薄膜晶体管的制备与表征
湘潭大学毕业论文
题目: Al掺杂ZnO薄膜晶体管的制备与表征
学 院 :
专 业 : 测控技术与仪器
学 号 :
姓 名 :
指导教师 :
完成日期 : 2013年5月20日
湘 潭 大 学
毕业论文(
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
)任务书
论文题目: Al掺杂ZnO薄膜晶体管的制备与表征
学号: 姓名: 专业: 测控技术与仪器
指导教师: 系主任:
一、主要内容及基本要求
主要内容:了解薄膜晶体管TFT的概念、应用及发展趋势。掌握脉冲激光沉积
法制备Al掺杂ZnO薄膜(ZAO)的流程和关键技术。调研了Al掺杂氧化锌材料微
观结构和电学性能的测试
分析
定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析
方法,并对所制备的Al掺杂ZnO薄膜(ZAO)的相
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
关性能进行表征与分析。通过查阅文献资料和运用所学理论知识,对实验结果进
行初步的分析。培养查阅文献和综合分析与解决问题的能力。
基本要求:
二、重点研究的问题
?
三、进度安排
四、应收集的资料及主要参考文献
II
III
湘 潭 大 学
毕业论文(设计)评阅表
学号 姓名 专业 测控技术与仪器 毕业论文题目: Al掺杂ZnO薄膜晶体管的制备与表征
IV
湘 潭 大 学
毕业论文(设计)鉴定意见
学号: 姓名: 专业: 测控技术与仪器 毕业论文 21 页
图 表 18 张
V
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
VI
目 录
摘
要 ...................................................................................................................................... 1
第1章 引
言 ................................................................................................................... 2
1.1 薄膜晶体管(TFT)的概
述 ......................................................................................... 2
1.1.1 TFT的发展简
介 ..................................................................................................... 2
1.1.2 TFT的结构及工作原
理 ....................................................................................... 3
1.1.3 影响TFT电学性能的参
数 ....................................................................... 5
1.2 TFT的应
用 ............................................................................................................ 5
1.2.1 TFT在LCD中的应
用 .............................................................................. 5
1.2.2 TFT在OLED中的应
用 ............................................................................ 6 ——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
1.2.3 TFT在柔性显示中的应
用 ........................................................................ 6
1.3 ZnO-TFT的优缺点及研究趋
势 ............................................................................ 7
1.4 本文的选题依据和主要内
容 ................................................................................ 7
第2章 铝掺杂氧化锌薄膜晶体管的的制
备....................................................... 9
2.1 ZAO-TFT的制备方
法 ........................................................................................... 9
2.2 ZAO-TFT的表征方
法 ......................................................................................... 10
2.3 ZAO-TFT 器件的制
备 ........................................................................................ 13
2.3.1 ZAO-TFT结构设
计 .................................................................................. 13
2.3.2 ZAO-TFT的制备流
程 .............................................................................. 13
第3章 ZAO-TFT的性能表
征 ............................................................................. 15
3.1 SEM分析
法 .......................................................................................................... 16
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
3.2 I-V测试分析
法 ..................................................................................................... 16
3.3 XRD分析
法 ......................................................................................................... 17
第4章 总
结 ................................................................................................................. 18 参考文
献 ........................................................................................................................... 19 致
谢 .................................................................................................................................. 21
VII
铝掺杂ZnO薄膜晶体管的制备与表征
摘要:采用脉冲激光沉积法在N型重掺杂硅基底制备了铝掺杂
ZnO薄膜。以铝掺杂ZnO薄膜为沟道层,制备了底栅结构的薄膜晶体
管。XRD实验结果表明,铝掺杂ZnO薄膜为纤锌矿结构,具有良好的
c轴择优取向。SEM实验结果说明,薄膜表面平整,晶粒尺度分布均
匀,无明显缺陷。电学测试结果显示器件是n沟道增强型。晶体管具
有较好的饱和性,关键词:脉冲激光沉积,薄膜晶体管,择优取向,
n沟道增强型
Preparation and characterization of Al-doped ZnO thin
films transistor
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
Abstract: Al-doped ZnO(AZO) films were prepared by Pulsed Laser Deposition technique on n-type silicon. With AZO films as channel layers, bottom gate thin film transistors were fabricated. The XRD results show the AZO films are wurtzite structure with c-axis orientation. The SEM experiments indicate that the AZO films are uniform and smooth without obvious defect. The I-V property of AZO-TFTs implies the devices are n-channel enhanced thin film transistors. AZO - TFTs have a good saturation performance.
Key Words: Pulsed Laser Deposition, thin film transistors, orientation, x-ray diffraction, n-channel enhanced
1
第1章 引 言
1.1 薄膜晶体管(TFT)的概述
1.1.1 TFT的发展简介
进入新千年,作为信息产业的重要构成部分—显示器件正在加速
推进其平板化的进程,各种高精度电子产品不断出现并快速普及,采
用新材料和新
工艺
钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程
的大规模半导体全集成电路制造技术,是液晶、无
机和有机薄膜电致发光平板显示器的基础。平板显示和传感器件中往
往需要有源矩阵来辅助驱动,即将有源电路集成在每一个阵列单元中
来解决器件驱动中的各种问题。普通有源电路的核心元件是晶体管,
有源矩阵的核心元件则是薄膜晶体管(TFT),TFT是在玻璃或塑料基板
等非单晶片上通过溅射、化学沉积工艺形成制造电路必需的各种膜,
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
通过对膜的加工制作大规模半导体集成电路,是一种在基板上使用薄膜工艺制作的场效应管[1]。下表简述了薄膜晶体管的发展历史。
20世纪30年代 Lilienfeld在申请的专利发明中首次描述了场效应器件,Heil更加全面的
阐述了半导体薄膜作为有源层的特点,共同开辟了TFT器件研究。
Bardeen和Brattain发明了双极结型晶体管(Bipolar Junction
Transistor,
BJT);Shockley发明了与TFT的特性非常相似的结型场效应晶体管
(Junction Field-Effect Transistor,JFET)。
今天大家熟知的TFT的发展历史始于RCA实验室的P.K.Weimer的研究
工作。他应用多晶态的硫化镉薄膜做有源层,用SiO2薄膜做绝缘层,
成功制作出“交叠型”结构的器件[2]。
Brody等人首次研制出有源矩阵液晶显示(AMLCD)[3],并用CdSe TFT
作为显示的开关器件,打开了TFT的工业应用之门。
LeComber、Spear和Ghaith用非晶硅(a-Si)做有源层,氮化硅作为绝缘层
制作出性能较好的TFT器件[4]。
日立制作所的A.Miaumi用分子束外延的方法制作了p-Si TFT[5],——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
开关比
大于,迁移率为。
取访精工研制成功像素2英寸的p-Si TFT AMLCD的产品,标志AMLCD
进入实用期。
Tsumura等人首次用聚噻吩为半导体材料制备了有机薄膜晶体管
(OTFT),OTFT技术开始得到发展。
Hoffman 等[25]报道了以 ZnO 为沟道层的全透明TFT 并指出可以将其
应用在有源矩阵驱动显示中,开创了氧化物TFT研究的热潮。Hosono
在Science、Nature等期刊上发表了数篇有关IGZO-TFT的文章[6],推动
了氧化物TFT的迅速发展。
a-Si-TFT已是成熟的产业化技术;OTFT、LTPS-TFT和氧化物TFT的
研究方兴未艾,有望成为下一代主流显示技术。 20世纪40年代 1961年 1973年 1979年 1981年 1984年 1986年 2003年 2004年—至今
表1 TFT技术发展简表
表1为TFT技术发展简表,从表1.1可以看出,TFT的发展与双极型晶体管
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
2
(BJT)和金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的发展息息相关。
1.1.2 TFT的构成和工作原理
在显示器件领域,薄膜晶体管(Thin Film Transistor,TFT)作为显示器件的基本元件与核心元件,它在显示电路里面主要起开关作用和驱动作用。TFT本质上是绝缘栅型场效应晶体管,是金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的“堂兄弟”[7]。从结构上讲,根据源/漏电极和栅电极的位置的不同,TFT可分为底栅顶接触、底栅底接触、顶栅底接触和顶栅顶接触四种类型(如图1.1所示)[8]。从材料类型上讲,根据有源层半导体材料的不同,TFT可分为非晶硅TFT、多晶硅TFT、有机TFT和氧化物TFT。目前绝大部分的TFT-LCD中使用的TFT,都是采用底栅型的非晶硅(amorphous silicon, a-Si: H)薄膜晶体管。底栅型结构的独特优点是:金属栅极和绝缘层同时可以作为非晶硅沟道层的光学保护层,以防止背光源发出的光照射到非晶硅层进而产生光生载流子,破坏沟道层的电学特性。
图1.1 TFT的基本结构:底栅顶接触、底栅底接触、顶栅底接触和顶栅顶接触 下面以底栅结构的非晶硅TFT为例,介绍TFT的构成与工作原理。
如图1.2所示,底栅结构的非晶硅TFT具有一个SiNX材料的栅极(gate),源极(source)和漏极(drain)各一个,一般由ITO(Indium tin oxide,氧化铟锡)构成。非晶硅TFT的主要结构是一个非晶硅半导体薄膜;——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
半导体层的两端,各经过一层N+型掺杂的非晶硅层,与源极与栅极电极相连接(实现欧姆接触)。
图1.2 底栅顶接触型非晶硅TFT的剖面示意图
3
图1.3 非晶硅TFT电学性能图:(a)输出特性曲线图;(b)转移特性曲线图 (a) (b)
图1.3所示为典型的底栅结构的非晶硅TFT电学性能曲线图[9],器件沟道的宽长比为?? ??=116???? 32????。图1.3 (a)为输出特性曲线图。源漏电压??????从0V到20V,栅极偏压??????从OV到20V,间隔为5V。从图1.3(a)可以看出栅极偏压??????对源漏电流??????的调控显著。栅极偏压为零时,源漏电流??????几乎为零,说明有源层中没有形成导电沟道,TFT处于关断状态,表明此非晶硅TFT是增强型器件;随着栅极偏压正向增大,有源层中的电子逐渐向有源层和绝缘层界面移动,栅极偏压大于阈值电压后,有源层中的导电沟道开始形成,并且沟道电流??????随着栅极偏压的增大而增大,表明非晶硅TFT工作在N沟道模式。漏极电压逐渐加大,TFT的输出曲线由线性区过渡到饱和区,表现出很好的饱和性。V????=20??时,源/漏饱和电流??????超过20μA。图1.3(b)为转移特性曲线,V????=10??时,器件的开关比大于107。当栅极电压??????加至10??时,TFT可具有超过10?5A的源/漏电流,而栅极电压??????为?5V至0V时,晶体管是关闭的,源/漏电电流??????小于10-12A。因此,藉由设定栅极电压,可以达到控制半导体作为开关的目的,TFT的电压-电流公式,可遵循——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
MOSFET的基本公式:
当 Vgs?V?????V????时,有
??????=????????(ε??????ε0 t??????) ?? ?? ????????????? ??????
当 Vgs?V????<V????时,有
??????= 1 2 ???????? ε??????ε0 t?????? ?? ?? ?????????????
式中t??????为栅绝缘层厚度,从而ε??????ε0 t??????为单位面积栅绝缘层的电容值,W为导电沟道宽度;L为导电沟道长度;Vgs为栅极-源极电压;V????为源极-漏极电压;??????为截止电压(threshold voltage,或称为阈值电压)。特别要提的是,????????为等效载流子迁移率,其中包括了对载流子实际迁移率??0与缺陷数目N????????????与载流子数
4
2
目N????????的修正项:
??eff=??0??????????/ ??????????+??????????????
一般而言,非晶硅TFT的载流子实际迁移率??0大致在10????2/ ????? 左右,但由于缺陷数目太多,栅极所吸引的大部分电荷被攫取在缺陷中而无法提供导电能力,使得等效载流子迁移率仅剩下不到1????2/ ????? [10-14]。
1.1.3 影响TFT电学性能的参数
影响TFT电学性能的参数如表2所示。
TFT主
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
要参数 定义、工作原理与影响因素
场效应迁移率μ是指在单位电场下,电荷载流子的平均漂移速率。μ=E/v,式
中E为电场强度,v为载流子移动速度。它反映了在不同电场下空穴或电子在
有源层沟道中的迁移能力,单位为cm2V-1s-1。当器件工作在线性区时,场效应
2迁移率μ μ= L ???????????? / ???????? ???????? ;工作在饱和区时,μ= 2?? ?????? ?? ???? ???????? 。
场效应迁移率的影响因素有半导体纯度,结晶质量,晶粒尺寸,电极接触以及
沟道宽长比等。
阈值电压V????是用来度量TFT中开启导电沟道所须的栅电,单位为V。阈值电压
V????一般从以下两方面获得:1.根据描述TFT工作在线性区域的公式,在??????较
小时的转移曲线的线性区域外推至零电流处即为V????;2.利用饱和区TFT转移特
性曲线??????2???????中,进行线性拟合,拟合线斜率所在直线的延长线与栅压轴的
交点截距即为阈值电压V????。
开关比??????/????????在数值上等于器件的开态电流(??????)与——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
关态电流之比(????????),它反映
了器件对电流的调控能力。一般而言,??????/????????要大于3~4×106,如果TFT元
件不能提供大于这个值的开关电流比,不论储存电容如何设计,其结果不是大
致保持电位但不能在预定时间内完成充电,就是预定时间内完成充电但不能保
持电位,即无法满足充电电位保持两个要求,因此无法作为TFT-LCD的开关。
亚阈值摆幅S是指漏源电流降低一个数量级所跨的栅压值,单位为mV/decade。
它表征TFT由关态切换到开态时电流变化的迅疾程度,是用来表征TFT器件质
量的一个重要参数,表达式为:S=???????? ?? log?????? .。S越小,表明TFT从关
态切换到开态所需要的电压变化越小,当然需要的切换时间就越少。这个数值
依赖于绝缘层的电容率C??,可以直接比较不同器件的性能。
表2 TFT的主要性能参数 1 阈值电压V???? 开关
比??????/???????? 亚阈值摆幅S
1.2 TFT的应用
1.2.1 TFT在LCD中的应用
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
TFT在LCD显示单元中起开关作用,当该显示单元被选通时,加在栅极上的脉冲电压使 TFT 打开,存储电容充电,随后TFT关闭,在此后一帧图像的扫描时间里,存储电容上一直保持着先前写入的电压,并施加在液晶单元上。通过调节导入电压的幅度可以改变液晶的透光率,从而达到图像显示的目的。TFT的引入解决了LCD的亮度、对比度、灰度、色彩、响应时间、功耗等一系列问题,
5
可实现比较理想的图像显示。
1.2.2 TFT在OLED中的应用
当在OLED元件上施加电压时,电压源的阳极所提供的空穴,与阴极所产生的电子,会在OLED的发光层内发生电子-空穴复合,所产生的能量,则以光的形式散发,从而达到发光的目的。1987年,柯达公司提出了OLED的器件结构,随后在得到了学术界和工业界的频频研究,近几年进步很快。OLED显示单元是电流驱动的,与OLED显示单元串联的驱动用TFT,其开态导通电流正比于OLED的发光亮度。如果采用场致迁移率值较低的非晶硅TFT,为达到显示器的亮度要求,只有增大TFT的宽长比,这给像素设计带来很多限制。开发具有高迁移率的低成本TFT是解决上述问题的一个途径。OLED被认为是继TFT LCD之后下一代平面显示技术,它具有构造简单,厚度薄,自发光器件,不需要背光源,比较宽的工作温度范围以及反应速度快等优点。TFT在OLED当中作为开关器件使用时,要求开态电流与关态电流之比要比较大;作为驱动器件使用时,要求线性区工作电流比——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
较稳定,没有偏置,且其开态导通电流正比于OLED的发光亮度。
1.2.3 TFT在柔性显示中的应用
研究人员普遍认为,未来显示器的一般特征是:“Everywhere!! Any Shape!!”、“Digital Life”、“Go Green”,即未来的显示器是可以在任何场所使用的绿色节能数字显示器,可以形成任何形状,比如窗户、、衣服、挂画等都可以成为显示器,柔性显示器满足以上特征。TFT在柔性显示中的应用发展十分迅猛,下面以2010~2013年为例:2010年,台湾工研院[15]利用其开发的玻璃基板柔性显示器制造技术,在玻璃基板上形成剥离层,并在上面涂覆聚酰亚酰胺薄膜,之后将该聚酰亚酰胺薄膜作为基板,在其上制造TFT及传感器元件,该方法高精度可控;2010年,凸版印刷公司[16]使用TAOS涂膜在玻璃基板上制造了TAOS-TFT后成功驱动了电子纸。TAOS-TFT制造工艺的最高温度为240~250?,TFT的迁移率为5.4????2 ????;2011年,利用氧化物半导体TFT技术,LG[17]开发出55英寸有机EL显示器,该公司的55英寸有机EL面板厚度不到5mm,实现了薄型轻量,耗电量也低于该公司的液晶面板。对比度高于液晶面板,为100000:1以上,像素响应速度是液晶面板的1000倍以上;2012年,美国亚利桑那州立大学[18]的柔性显示器中心(Flexible Display Center,FDC)宣布,试制出了7.4英寸的柔性有机EL显示屏,“是世界最大尺寸的柔性有机EL显示屏”。显示屏的背板采用名为“mixed oxide”的氧化物半导体TFT。可以利用已有的非晶硅TFT生产线,因此预计能大幅降低制造成本;2013年,凸版印刷和Plastic Logic公司[19]利用TFT技术,共同研发——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
了大尺寸柔性数字标牌试制品,该试制品是相当于42英寸的可
6
弯曲电子纸,由16张10.7英寸、1280×960像素的单色电子纸拼接而成。
1.3 ZnO-TFT的优缺点及研究趋势
ZnO是工业上的常用材料,价格便宜,无毒无害,在功能器件方面的应用包括压敏/3电阻、透明导电膜、气体传感器、声学换能器等等,在紫外光发射二极管和紫外探测方面也具有潜在的应用价值。ZnO是人们最熟悉的氧化物半导体,这是我们一开始就选择ZnO材料来尝试制作氧化物半导体TFT的主要原因。ZnO是一种天然自掺杂的N型半导体,很容易结晶,有利于得到高载流子迁移率的薄膜,而且可以采用多种镀膜方法进行沉积。这也构成了利用ZnO材料作为TFT半导体层的基础之一。ZnO-TFT虽然有很多独特的优点,但研制过程中仍然有一些问题需要解决。如ZnO-TFT器件关态电流较大、器件工艺重复性较差,器件性能和稳定性需要改进。在降低工艺温度的同时也需要提高各层薄膜间的兼容性。
为了获得高性能、低成本的ZnO-TFT,到目前为止,除了制备工艺等条件的简化和改进的研究,很多学着转向对于在实践中持久应用出现的稳定性问题,如实际应用中光照,长期加压,长期加上电流等对器件性能参数造成的偏移等的研究,这是氧化物TFT除了上面所说的P型制备较难以外存在的另一个热门研究问题,虽然其禁带宽度较宽,但是在实际应用中,还是会受到外界影响,如长期的偏压,光照——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
等的影响,氧化物TFT的这些稳定性问题的研究解决对于其步入实际应用非常有必要,在实际应用中还要注意提高各层薄膜间的的兼容性。最后一点是漏源电流偏置问题,漏源电流偏置问题在有机TFT中存在比较普遍,在氧化物TFT中不甚明显,但是从很多氧化物TFT的报道中我们发现它还是存在的。漏源电流偏置扭曲了TFT在线性区的电学性能,降低了电流的驱动能力,对其在应用中产生不良的影响[20],这是本论文研究的主要问题。未来TFT技术将会以高密度高分辨率、节能化、轻变化、集成化等为发展主流,只有良好的解决上面的所有问题,才能为ZnO-TFT器件在未来的广泛发展铺好道路。TFT器件的研发为显示技术的应用带来了重大的机遇和挑战,相信在不久的将来,以OTFT和ZnO-TFT等新型器件为核心器件的平板显示器产品,会推动下一代光电子学的突飞猛进。
1.4 本文的选题依据和主要内容
ZnO是一种直接带隙、宽禁带氧化物半导体,常温下,其禁带宽度为3.37eV,激子结合能为60eV,这表明ZnO激子有很好的稳定性。理论上来讲,具有较大束缚能的激子更容易在室温下实现高效率的激光发射,正因如此,使得ZnO薄膜具有优良的光学、电学性能和化学稳定性。但是,ZnO薄膜晶体管的性能还不完善,人们不断寻求高的场效应迁移率以及它环境的稳定性等等。通过掺杂增加
7
ZnO薄膜的载流子浓度,近年来已成为研究热点。20世纪70年代末,人们开始关注一种新型的透明导电材料—掺铝氧化锌薄膜。 ——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
ZAO薄膜是一种透明导电膜,其禁带宽度大于可见光子能量,对光的透射率大于80%,且ZAO的薄膜的载流子浓度很高,表现出类金属的性质,因此,相比于ZnO薄膜晶体管,它具有更好的光学特性和电学特性,而且制备工艺简单、价格低、材料来源丰富、无毒和稳定性好。而随着薄膜制备技术的日益完善,ZAO的应用得到了快速的发展,日本东京曹达公司已经推出了ZAO靶材,国内也有公司提供了小块靶材。其领域也越来越广泛,如在太阳能电池、液晶显示等领域中都有广阔的应用前景。为了进一步提高ZAO薄膜的性能,研究人员对相关方面(如参杂物的作用、微观结构对其电导率的影响、制备工艺的完善、开发新的应用领域等)的研究越来越深入。叶志镇领导的研究小组通过脉冲激光沉积技术,在硅衬底上制的掺铝氧化锌,其稳定性超过9个月,且具有很好的电学与光学性能[21]。本文以此为依据,通过向ZnO掺入Al的实验来验证掺杂的实际效果。首先利用PLD方法制备了Al掺杂的ZnO薄膜晶体管(ZAO),对热处理之后的氧化物薄膜进行扫描电子显微镜(SEM)表征,使用X射线衍射(XRD)表征了ZAO薄膜的微观结构,最后使用半导体系数测试仪测量了其I-V性能。
8
第2章 ZAO的制备
2.1 ZAO-TFT的制备方法
1) 磁控溅射方法:磁控溅射技术是一种以离子溅射子为基础的薄膜制备技术。它是指高能离子轰击靶材表面时,高能粒子沉积在衬底上,使得薄膜与衬底附着良好从而得到想要的薄膜。其优点是膜厚——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
可控溅射时基片温升低、形成的薄膜结晶性能较好。但也存在着薄膜材料与基片之间可能发生反应的缺点[22]。
2) 金属有机化学气相沉积(MOCVD):该技术是以金属有机化合物或氢化物作为生长源材料,以热分解的方式在衬底上进行气相外延,经过一系列的反应后最终在衬底表面上行程外延层。该方法最显著的技术特点是可以合成以任意比例组成的人工合成材料,同时,该方法可以对所生长的薄层材料的厚度和界面进行精确控制,还可以生长大面积、均匀的半导体薄膜,适合大批量生产。但也存在缺乏实时在位监测生长过程技术、设备昂贵、参数控制难的缺点。
3) 分子束外延法(MBE):分子束外延法是在在超高真空高温下,产生蒸气,在真空中膨胀后,直接喷射到衬底上进行外延生长。其优点是膜的组分和掺杂浓度能随源的变化而迅速调整及可对厚度、成分与结构进行精确控制。但其生长周期长,对原材料有较高的纯度要求。
4) 原子层沉积(ALD):原子层沉积也被称为原子层化学气相沉积,是利用反应气体和基板之间的反应,以单原子膜形式一层层的镀在基底表面的方法,其主要特点是原子层沉积过程中,每次反应只沉积一层原子。它能精确控制薄膜特性,使薄膜更平滑均匀、重复性更好。
5) 脉冲激光沉积:脉冲激光沉积法(PLD)是一种有效制备薄膜的物理气相沉积法。脉冲激光器产生高功率脉冲激光,经透镜聚焦后照射在靶材表面上,靶材表面在高温下迅速加热、蒸发、电离,随着脉冲激光的进一步作用,靶材最终会形成具有高温高压的等离子体,这种等离子体继续和激光相互作用在空间作定向局域膨胀扩散后,沉积——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
在衬底上形成薄膜。PLD的优点是激光器瞬间蒸发的等离子体能量很高,容易在较低的衬底温度下沉积薄膜,且薄膜组分控制较精确;过程无污染,工艺简单易于控制,能制备多种薄膜。
本文采用PLD法制备AZO薄膜,所用仪器为美国PVD公司研制的PLD-5000脉冲激光沉积系统。图2.1为PLD-5000的实物图与基本装置示意图。从图中可以看出,我们的PLD-5000系统主要由激光器、光路系统和真空沉积系统组成。该系统的激光器采用德国COHERENT公司研制的compex205准分子激光器,此激光器以KrF为工作气体,激光波长为248nm,最大脉冲能量与最大重复频率分别是700mJ和50Hz,脉冲宽度为20ns,聚焦光斑为2×10mm。真空沉积腔内
9
的加热器提供的最大温度为950?,气氛压强控制范围是1?250mTorr,靶材与衬底理论距离为87?150mm,激光入射角为60?,沉积腔真空度为5×10?8Torr。 PLD-5000系统制备薄膜的主要过程是:激光器产生的激光由透镜会聚后经两面反射镜入射到真空沉积腔并打在靶材上,随后高能量的激光烧蚀靶材表面,使靶材受热熔化、气化直至变为等离子体,然后等离子体羽辉按垂直与靶材表面的方向向衬底运动,最后输运到衬底上凝聚、成核至形成薄膜。该系统最大的特点是能够通过电脑软件精确控制激光分段扫描靶材表面的速度与位置。同时,该系统能够对光路进行自动调焦使激光扫描靶材时表面能量密度保持不变,使脉冲激光沉积法制备均匀大面积薄膜不再是一个难题。系统配置了三个靶位,可以放置三个不同材料的靶材,便——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
于制备多层膜和异质结。
图2.1 PLD-5000系统示意图
1-
激光器,2-系统控制电脑,3-光路系统,4-
沉积腔,5-衬底送取装置
2.2 ZAO-TFT的表征方法
1) 扫描电子显微镜(FE-SEM)
扫描电子显微镜(FE-SEM)由电子枪、聚光镜、物镜等组成,扫描电镜光路与结构图如图2.2所示。聚光镜、物镜将电子枪发出的电子会聚在试样上,经过试样内的多次弹性散射和非弹性散射后,在样品表面外形成多种信号,这些信号经过探测器探测后送到显像管。物镜内有两组偏转线圈使样品上的电子束扫描,同时显像管内的电子束作同步扫描,于是试样的二次电子和背散射电子信号在显像管荧光屏上显示样品的放大像。图像的分辨率主要由会聚到试样的电子束的直径决定。目前的场发射电子枪电镜中电子束直径会聚到1nm。扫描电镜最基本的成像信号是二次电子像,它主要反映样品外表立体形貌。扫描样品的表面总是高低起伏、凹凸不一的,因此,扫描电子束在样品上轰击时,其角度和方向不同,激发出的二次电子数量也不同,而且这些二次电子向空间散射的角度和方向也不同,
10
因此,二次电子的数量是样品表面特征和入射角的函数,二次电子的出射方向又与样品表面特征有关。在本论文中,使用的扫描电子——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
显微镜型号为Hitachi S4800,实物图如图2.3所示。
图2.2 扫描电镜光路与结构图
图2.3 Hitachi S4800扫描电镜
2) X射线衍射仪(XRD)
X射线的是原子内层电子在高速运动电子的轰击下跃迁产生的光辐射,其原理将晶体当成X光的光栅,X光照射产生的大量原子由于相干散射作用而产生光的干涉,影响散射的X射线的强度。照射过程中,由于大量原子散射波的叠加,互相干涉而产生最大强度的光束称为X射线的衍射线,其衍射条件按布拉格公式计算:
2dsinθ=nλ;
式中d为的晶面间距,θ为衍射角,n为衍射级数,λ为X 射线的波长。最后通过检测X射线的强度,获得衍射图谱。从而从图谱的变化看出晶体内部的变化。本工作中使用德国布鲁克公司生产的AXS D8 DISCOVER型X
射线衍射
11
仪,2.2kw (正常使用状况:40kV, 40mA)。Theta,2theta 轴最小步距0.0001,样品台具有(X、Y、Z、Phi、Chi)五个自由度:Chi:-11?到98?,Δ0.01?;Phi:-180?到+180?,Δ0.01?;X轴:80mm,Δ0.01mm;Y轴:80mm,Δ0.01mm;Z轴:2mm,Δ0.01mm。仪器实物图如图2.3所示。
图2.4 D8 discover X射线衍射仪
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
3) I-V测试
本实验通过测量器件的输出特性以及转移特性来表征电学性能,电学性能使用半导体参数测试仪KEITHLEY 4200-SCS进行测试,如图2.5所示。测试电压扫描速度设为“normal”,一般在0.04s/step到0.7s/step之间,扫描步长0.1V。所有的电学特性测试均在大气环境室温中进行。
图2.5 半导体参数测试仪KEITHLEY 4200-SCS
12
2.3 ZAO-TFT的制备
2.3.1 ZAO-TFT结构设计
图2.6 ZAO-TFT器件分析的结构图
TFT的结构可根据具体电路结构和要求进行选择。底栅顶接触结构的TFT的性能较好,工艺也简洁,适合应用于薄膜场发射显示器件中,是显示器件中广泛采用的结构,也是本论文中主要研究的结构。
图2.6为ZAO-TFT的器件结构图,实验中,ZAO TFT器件制作在1cm×1cm的玻璃基片上,TFT的沟道长度由掩
模板
个人简介word模板免费下载关于员工迟到处罚通告模板康奈尔office模板下载康奈尔 笔记本 模板 下载软件方案模板免费下载
的尺寸精度决定,长宽比为200μm:1500μm和100μm:1050μm。
2.3.2
表3 ZAO-TFT制备流程简表
13
n-Si/SiO2/ZAO/Pt结构的ZAO-TFT的制备流程如表3所示。下面按制备流程分步具体介绍。
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
1) 基片清洗
在沉积ZAO薄膜之前,对硅片进行严格的清洗是十分必要的,因为硅片上存在的杂质、金属离子及灰尘对沉积的ZAO薄膜的质量影响很大,会增加薄膜的缺陷及漏电流。具体清洗的步骤如下:
1(分别用酒精和丙酮混合溶液超声振荡时间10分钟,之后用高纯水冲洗2分钟;
2(分别用丙酮和无水乙醇对衬底基片进行超声清洗各5分钟,接着用高纯水清
洗干净;
3(最后用无水乙醇对基片进行超声清洗,间5分钟,再放入烤箱烘烤干燥后,用高级镜头纸保存备用。
2) 沉积ZAO薄膜
硅片清洗完之后,用脉冲激光沉积(PLD)的方法在超高真空条件下(2×10?3torr以下)将ZAO有源层薄膜沉积到尺寸为1cm×1cm、SiO2厚度为300nm电阻率为0.01?0.05Ω?cm的n-type Si(100)硅片上。ZAO薄膜的PLD沉积参数如下表所示。
名称
ZAO 激光能量 300mJ 频率 10Hz 氧圧 10mTorr 衬底温度 300-500?
沉积时间 60min
表4 ZAO薄膜的PLD沉积参数
3) 电极制备
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
当SiO2薄膜,或者SiO2和ZAO薄膜沉积完毕,接着利用小型离子溅射仪先后在样品的背面和正面分别沉积厚度为100nm和150nm的金属铂(Pt),作为MIS电容和ZAO-TFT的底电极和顶电极。掩膜板尺寸及制备好的ZAO-TFT器件结构分别如图2.2与图2.3所示。
图2.7 掩膜版尺寸示意图 图2.8 ZAO-TFT示意图
14
4) 退火处理
退火步骤安排在薄膜沉积之后,在大气气氛中进行,我们实验室所用的是RTP-500型快速热处理设备,将样品在室温下放进退火炉后升温,在空气气氛中300?退火20分钟,自然冷却后取出。热退火一方面可以减少薄膜的内部缺陷,以达到改善薄膜的质量的目的;另一方面还可以改善薄膜的表面,使得薄膜与另一层薄膜或是电极之间的接触更好。
15
第三章 ZAO-TFT的性能表征
3.1 XRD表征
为了研究不同基底生长温度对AZO薄膜的影响,用XRD测试进行了研究,如图3.1所示。在300?~500?之间衬底温度越高,制备的ZAO 薄膜的(002)峰值越大,C轴择优取向越好。同时我们发现,随着衬底温度的升高,X射线衍射峰的半高宽基本减小,这表明退火前薄膜沉积时的衬底温度越高,薄膜的择优取向性越好,薄膜的质量——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
也越好。其原因是:当ZAO薄膜生长的衬底温度很低时,粒子在衬底附近获得的能量较低,导致了其没有足够的能量使其运动到合适的晶格位置成核就被覆盖,使得薄膜的质量变差。然而当衬底温度升高时,粒子能够获得使其运动的合适成核位置的能量,使其能在合适的位置成核,因此,ZAO薄膜减少了很多在生长过程中产生的缺陷,薄膜的质量得到了很大程度的提高。
图3.1 ZAO薄膜的XRD图
3.2 SEM表征
图3.2是ZAO薄膜表面的SEM图,从图中可以看出组成薄膜的小晶粒大都在几十纳米左右,但尺寸不太均匀;薄膜的表面比较光滑平整;致密性比较好,没有明显的裂纹和孔洞等缺陷。
16
图3.2 ZAO薄膜表面的SEM图
3.3 I-V表征
图3.3 输出特性曲线
图3.3为ZAO-TFT的输出特性曲线,源漏电压VD从0 V到20 V,栅极偏压VG从0 V到30 V,间隔为7.5 V。从图3.9可以看出栅极偏压VG对漏电流ID的调控显著。漏电流ID随栅极偏压VG的增大显著增大,说明实验所制得的ZAO-TFT为N型器件。栅极偏压 VG=0V时,漏电流ID也随之变化,不为0,说明器件工作在耗尽型模式。随着源漏电压的加大晶体管从线性区过渡到饱和区,饱和趋势明显。VG=30V时,源漏饱和电流约为1μA。
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
17
第四章 总结与展望
作为显示器件的基本元件与核心元件,薄膜晶体管经历了从最开始探索阶段的受材料、技术等因素影响其稳定性,到现阶段技术日趋成熟、性能不断得到完善的数十年发展历程。随着研究的深入,开发出来的薄膜晶体管性能更加优异,更具特性。其中氧化锌基薄膜晶体管以其高透光率、高迁移率、环境稳定性好、原理廉价等优点,被认为是下一代主流显示器的主要候选之一,而在该种薄膜中通过掺杂增加载流子的浓度,其性能更优于氧化锌薄膜晶体管。本文在此基础上,采用脉冲激光沉积法制备了掺铝氧化锌薄膜晶体管(ZAO)并对此进行了研究。在此过程中,充分调研了课题掺铝氧化锌基薄膜晶体管,通过大量的阅读相关文献,了解国内外相关机构对该课题研究的现状。掌握了制备ZAO的流程和脉冲激光沉积方法,在三个方向对ZAO的性质进行了表征:
1、使用X射线衍射仪(XRD)照射薄膜表面,获得衍射图谱,其实验结果表明,ZAO为晶态,在300?~500?之间衬底温度越高,制备的ZAO薄膜的(002)峰值越大,C轴择优取向越好。
2、使用扫描电子显微镜(FE-SEM)对薄膜的表面微观结构进行了研究,观察到薄膜有较好的致密性及光滑平整性。
3、使用半导体参数测试仪对ZAO进行了输出特性的测试来表征其电学性能,实验结果表明,栅极偏压VG对漏电流ID的调控显著。漏电流ID随栅极偏压VG的增大显著增大,说明实验所制得的ZAO-TFT——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------ 为N型器件。栅极偏压VG=0V时,漏电流ID也随之变化,不为0,
说明器件工作在耗尽型模式。随着源漏电压的加大晶体管从线性区过
渡到饱和区,饱和趋势明显。VG=30V时,源漏饱和电流约为1μA。
虽然本人认真进行了课题研究并完成了本论文,但由于时间和精
力所限,只对ZAO的微观特性和电学特性做了定性的分析,而外界
因素对ZAO性能的具体影响还有待进一步研究,比如不同退火温度、
不同氧压气氛、不同衬底温度下对ZAO性能的影,如何再继续改善
它的性能也值得我们的进一步关注。另外,由于实验中存在人为操作
的误差,对实验结果的准确性产生了不利的影响。通过对实验流程和
制备方法的优化,我们可以取得更好的结果。
18
参考文献
[1] 姚绮君, 李德杰. 基于氧化物的半导体薄膜晶体管[D]. 北京:
清华大学, 2008.
[2] P. K. Weimer. The TFT a new thin-film transistor[J]. Proceedings of the IRE, 1962, 50(6):
1462-1469.
[3] T. Brody, J. A. Asars, G. D. Dixon. A 6× 6 inch 20 lines-per-inch liquid-crystal display panel[J].
Electron Devices, IEEE Transactions on, 1973, 20(11): 995-1001.
[4] P. Le Comber, W. Spear, A. Ghaith. Amorphous-silicon field-effect device and possible
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
application[J]. Electronics Letters, 1979, 15(6): 179-181.
[5] Tsumora, H. Koezuka, T. Ando. Polythiophene field-effect transistor: its characteristics and
operation mechanism[J]. Synth Met, 1988, 25: 11-23.
[6] R. L. Hoffman, B. J. Norris, J. F. Wager, ZnO-based transparent thin-film transistors[J].
Applied Physics Letters, 2003, 82: 733-736.
[7] C. R. Kagan, P. Andry. Thin-Film Transistors[M]. New York: Marcel Dekker, 1968, 2003.
[8] S. A. Dibenedetto, A. Facchetti, M. A. Ratner, T. J. Marks. Molecular self-assembled monola-
yers for organic and unconventonal inorganic thin-film transistor applications[J]. Adv.Mater,
2009, 21: 1407-1433.
[9] C. Y. Chen, J. Kanicki. High field-effect-mobility a-Si:H TFT based on high deposition-rate
PECVD materials[J]. IEEE Electron Device Letters, 1996, 17(9): 437-439.
[10] M. J. Powell, C. V. Berkel, A. R. Franklin, S. C. Deane, W. I. Milne. Defect pool in amorph-
ous silicon thin-film transistors[J]. Phys. Rev. B, 1992, 45(8): 4160-4170.
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
[11] M. J. Powell. Analysis of field effect conductance measurements on amorphous
semiconductor[J]. Philos. Mag. B, 1981, 43(1): 93-103.
[12] R. A. Street, K. Winer. Defect equilibria in undoped a-Si:H[J]. Phys. Rev. B, 1989, 40(9):
6236-6249.
[13] T. Tiedje, A. Rose. A physical interpretation of dispersive transport in disordered semiconder
[J]. Solid State Commun, 1980, 37: 49-52.
[14] G. Morell, R. S. Katiyar, S. Z. Weisz, H. Jia, J. Shinar, I. Balberg. Raman study of the netwo-
rk disorder in sputtered and giow discharge a-Si:H films[J]. J. Appl. Phys, 1995, 78(8): 5120-5125.
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20] H. Jia, G. K. Pant, E. K. Gross, R. M. Wallace, B. E. Gnade. Gate induced leakage and drain
current offset in organic thin film transistors[J]. Organic Electronics, ——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
2006, 7(1): 16-21.
19
[21] 赵耀东, 杜国同. ZnO基薄膜晶体管的初步研究[D] 吉林:吉林大学, 2010.
[21] 孙成伟.射频反应磁控溅射ZnO薄膜能带工程相关问题研究[D].大连:大连理工大
学,2006.
20
致谢
本毕业论文是在——老师的亲切指导和热情关怀下完成的,对该论文从选题,构思到最后定稿的各个环节,——老师都给予了细心指引与教导,使我得以最终完成毕业论文设计,在此表示衷心的感谢。此外在学习中,老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模。
同时,还要特别感谢——学长,论文中的实验部分从开始制备样品到表征数据处理的整个过程都是在他悉心的指导与关怀下完成的,对论文中出现的问题,上至文章内容的取舍,文章的排版,下至每个标点,每个间隔符号,都给予了批评指正,他的这种认真细致和强烈的责任心,以及刻苦钻研、与人和善的精神值得我好好学习。
感谢我的父母和朋友,以及一起生活了四年的同学们,是他们的关心、鼓励和支持给了我奋发向上的勇气和完成学业的力量。对所有——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
帮助我完成论文的人表示深深的谢意~
最后,我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅,评议和参与本人
论文答辩的各位老师表示感谢。
21
——————————————————————————————————————