隧穿效应薄膜晶体管制备与特性分析

论文摘要

作为薄膜晶体管液晶显示（TFT-LCD）和主动式有机电致发光显示（AM-OLED）驱动电路的核心部分,薄膜晶体管（TFT）的研究一直是TFT-LCD和AM-OLED显示技术的主要投资和核心技术。其中TFT-LCD的薄膜晶体管技术已经比较成熟了,成品率也比较高,然而OLED的薄膜晶体管由于采用与LCD不同的电流驱动方式,对薄膜晶体管的电流和开关比等要求更高。我们从薄膜晶体管器件结构着手,制备具有隧穿效应的薄膜晶体管,即垂直结构的薄膜晶体管,最大程度上的减小薄膜晶体管导电沟道的长度,提高晶体管的工作电流等性能。首先,利用磁控溅射Zn靶并与氧气反应在石英玻璃衬底上制备ZnO薄膜,X射线衍射法分析不同衬底温度下的氧化锌薄膜结构,确定制备C轴取向性好,表面平整的氧化锌薄膜的工艺参数。然后,制备以氧化锌为半导体沟道的具有隧穿效应的薄膜晶体管,晶体管结构为Ag/ZnO/Al/ZnO/Ag的三明治结构,其中,Ag和Al作为电极,均采用直流磁控溅射制备,ZnO则是利用磁控溅射制备。Ag和ZnO形成肖特基接触,Al和ZnO形成欧姆接触。两层Ag分别作为漏极和源极,A1作为栅极,ZnO作为有源层。利用半导体测试仪对不同衬底温度和不同溅射时间条件下制备的氧化锌薄膜晶体管进行测试,工作电流可高达十几毫安；衬底温度为200℃时,器件性能较好；溅射时间的增加即薄膜厚度的增加,可促进肖特基势垒的形成,是以增加导电沟道长度为代价,即增加驱动电压和降低电流。通过电容-电压特性和电流-电压特性计算得到肖特基势垒高度分别为0.68eV和0.56eV,并且计算得到载流子浓度约为3.231×10’5cm-3最后,通过测试得到的薄膜晶体管的基本电学特性分析薄膜晶体管性能,计算晶体管跨导、输出电阻、电压放大倍数以及载流子迁移率等衡量薄膜晶体管性能参数,计算结果可得：载流子迁移率约为0.1509cm2/Vs,阈值电压为0.5V左右,比目前广泛研究的水平结构的薄膜晶体管小得多。利用金属-半导体接触载流子传输机制分析隧穿效应薄膜晶体管的工作机理,结果发现,薄膜晶体管中载流子为电子,电子从Ag电极隧穿注入半导体层,且注入电流满足Fowler-Nordheim隧穿效应理论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 薄膜晶体管概况
• 1.2.1 薄膜晶体管主要类型
• 1.2.2 在LCD中的应用
• 1.2.3 在OLED中的应用
• 1.2.4 在柔性基底上的应用
• 1.3 氧化锌薄膜晶体管发展概况
• 1.4 存在主要问题
• 1.5 本课题的主要工作
• 第2章 氧化锌薄膜制备
• 2.1 氧化锌基本性质
• 2.2 氧化锌的应用
• 2.2.1 氧化锌在光电中的应用
• 2.2.2 氧化锌在压电中的应用
• 2.2.3 氧化锌纳米结构的传感器
• 2.3 氧化锌薄膜的制备
• 2.3.1 氧化锌薄膜制备方法
• 2.3.2 氧化锌样品的制备
• 2.4 氧化锌薄膜的表征
• 2.4.1 X射线衍射（XRD）对ZnO薄膜结构的分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 垂直结构氧化锌薄膜晶体管原理
• 3.1 金属-半导体接触
• 3.1.1 肖特基接触
• 3.1.2 欧姆接触
• 3.2 垂直结构薄膜晶体管工作机理
• 3.3 晶体管的性能表征
• 3.3.1 载流子迁移率
• 3.3.2 阈值电压
• 3.3.3 电流开关比
• 3.3.4 亚阈陡度
• 3.4 本章小结
• 第4章 垂直结构氧化锌薄膜晶体管制备及工作特性分析
• 4.1 垂直结构氧化锌薄膜晶体管制备
• 4.1.1 玻璃基板的清洗
• 4.1.2 漏源电极要求及制备工艺
• 4.1.3 栅电极要求及制备工艺
• 4.1.4 有源层要求及制备工艺
• 4.2 氧化锌薄膜晶体管性能测试
• 4.3 工艺参数对晶体管性能的影响
• 4.3.1 衬底温度对晶体管性能影响
• 4.3.2 溅射时间对晶体管性能影响
• 4.4 肖特基特性分析
• 4.4.1 电流-电压特性分析
• 4.4.2 电容-电压特性分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 薄膜晶体管的性能参数及隧穿效应分析
• 5.1 晶体管性能表征参数计算
• 5.1.1 晶体管跨导
• 5.1.2 晶体管输出电阻
• 5.1.3 晶体管电压放大倍数
• 5.1.4 阈值电压
• 5.1.5 载流子迁移率
• 5.2 隧穿电流-电压分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢