ITO薄膜晶体管的制备及其性能研究

论文摘要

薄膜晶体管（TFTs Thin Film Transistors）作为一种固态电子开关器件,在传感器、平板显示、集成电路等领域中有着广泛的应用。近些年来,随着透明电子学的发展,透明氧化物TFT由于透明性、与柔性衬底兼容、良好的电学性能广受研究者的青睐,被认为将取代传统非晶硅（a-Si:H）TFT而成为主流。本课题研究为ITO薄膜晶体管。ITO （氧化铟掺锡）薄膜具有良好的透光性、高载流子浓度(10201021cm-3)及迁移率（1030cm2/Vs）、良好的物理化学稳定性,并且制备方法很多,非常适合作为TFT的沟道层。传统的氧化物TFT存在工作电压大的缺点,我们这里制备的ITO TFT工作电压降到了0.8V以下,并且在可见光范围内透明。本论文分为了四个部分;第一部分综述了薄膜晶体管的基本理论知识,包括TFT的工作原理、电学理论基础、发展历程等,另外介绍了ITO薄膜的基本性质。第二部分分析了TFT制备材料的选择,以及联系实验室设备讲述了TFT的制备工艺、电学性能检测方法。第三部分和第四部分为实验部分。第三部分;我们实验制备了底栅顶接触的ITO薄膜晶体管。ITO TFT工作在1.5V的工作电压下,阈值电压为0.32V、饱和场效应迁移率13.5cm2/Vs、电流开关比为1.2×106、亚阈值斜率为130mV/decade。第四部分;我们将沟道层和电极层采用一步掩膜工艺制备完成,制备了0.8V工作电压的ITO薄膜晶体管。为了实现0.8V的超低工作电压,我们通过将二氧化硅在浓度为43.5%氯化锂溶液中浸泡处理,二氧化硅薄膜中进入大量的离子以形成固态电解质,以这种电解质作为栅介质,在器件中能形成超强的双电荷层效应,具有高达9.2μF/cm2的单位电容。ITO TFTs的电学性能为;迁移率为28.4 cm2/Vs,阈值电压为-0.16 V,电流开关比为1×107,亚阈值斜率为98 mV/decade。良好的实验结果表明了;我们所制备的ITO薄膜晶体管非常适合发展应用于低功耗的透明电路中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 薄膜晶体管的基本概念
• 1.1.1 薄膜晶体管典型器件结构
• 1.1.2 薄膜晶体管的工作机理
• 1.1.3 薄膜晶体管的性能参数
• 1.1.4 薄膜晶体管的 I-V 特性
• 1.2 薄膜晶体管的发展历程及研究现状
• 1.2.1 薄膜晶体管发展历程
• 1.2.2 薄膜晶体管近十年发展的现状
• 1.3 薄膜晶体管的主要类型及其各自特点分析
• 1.3.1 a-Si：H（氢化非晶硅）薄膜晶体管
• 1.3.2 p-Si（多晶硅）薄膜晶体管
• 1.3.3 有机物薄膜晶体管
• 1.3.4 氧化物薄膜晶体管
• 1.4 ITO 薄膜
• 1.4.1 ITO 薄膜的基本性质
• 1.4.2 ITO 薄膜电学参数的关系
• 1.4.3 ITO 薄膜的应用
• 1.5 课题研究背景及内容
• 1.5.1 课题选取的背景
• 1.5.2 ITO 薄膜晶体管发展面临的问题
• 1.5.3 本论文的主要内容
• 第2章 薄膜晶体管制备工艺以及测试分析方法
• 2.1 器件衬底的选择以及清洗
• 2.1.1 衬底的选择
• 2.1.2 衬底的清洗
• 2.2 栅极、源漏电极的选择以及制备工艺
• 2.2.1 栅极、源漏电极的选择
• 2.2.2 栅极、源漏电极的薄膜制备工艺
• 2.3 栅介质材料的选择以及制备工艺
• 2.3.1 栅介质材料的选择
• 2.3.2 栅介质的制备工艺
• 2.4 沟道层材料的选择和制备工艺
• 2.4.1 沟道材料的选择
• 2.4.2 ITO 沟道的制备工艺
• 2.5 薄膜晶体管的光学特性分析
• 2.6 薄膜晶体管电学性能分析技术
• 2.6.1 半导体分析仪
• 2.6.2 阻抗分析仪
• 2.6.3 霍尔效应分析仪
• 第3章 实验制备ITO 薄膜晶体管及性能检测
• 3.1 实验制备ITO 薄膜晶体管
• 3.1.1 清洗硅片衬底
• 2 栅介质'>3.1.2 制备SiO₂栅介质
• 3.1.3 制备ITO 沟道层
• 3.1.4 制备ITO 源漏电极
• 3.2 ITO TFTs 器件的性能检测
• 3.3 介孔二氧化硅及双电荷层理论
• 3.3.1 介孔二氧化硅薄膜结构
• 3.3.2 双电荷层理论
• 3.3.3 电容和频率关系的讨论
• 3.4 总结
• 第4章 一步掩膜工艺制备低工作电压ITO TFTs
• 4.1 LiCl 溶液浸泡处理对器件电容的影响
• 4.1.1 实验制备样品
• 4.1.2 分析电容和LiCl 溶液浓度的关系
• 4.2 一步掩膜工艺制备ITO 薄膜晶体管
• 4.3 器件的电学性能检测结果
• 4.4 器件低工作电压的讨论
• 4.4.1 低电压工作原理
• 4.4.2 栅介质的讨论
• 4.5 本章总结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢