畢業(yè)論文——Al摻雜ZnO薄膜晶體管的制備與表征

1、湘潭大學(xué)畢業(yè)論文題目: Al摻雜ZnO薄膜晶體管的制備與表征 學(xué) 院 : 專 業(yè) : 測控技術(shù)與儀器 學(xué) 號 : 姓 名 : 指導(dǎo)教師 : 完成日期 : 2013年5月20日 21湘 潭 大 學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計)任務(wù)書論文題目： Al摻雜ZnO薄膜晶體管的制備與表征 學(xué)號： 姓名： 專業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 指導(dǎo)教師： 系主任： 一、主要內(nèi)容及基本要求 主要內(nèi)容：了解薄膜晶體管TFT的概念、應(yīng)用及發(fā)展趨勢。掌握脈沖激光沉積法制備Al摻雜ZnO薄膜(ZAO)的流程和關(guān)鍵技術(shù)。調(diào)研了Al摻雜氧化鋅材料微觀結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的測試分析方法，并對所制備的Al摻雜ZnO薄膜(ZAO)的相關(guān)性能進(jìn)行表征與分析。通

2、過查閱文獻(xiàn)資料和運用所學(xué)理論知識，對實驗結(jié)果進(jìn)行初步的分析。培養(yǎng)查閱文獻(xiàn)和綜合分析與解決問題的能力。 基本要求： 1. 文獻(xiàn)調(diào)研掌握薄膜晶體管TFT材料的概念、應(yīng)用及發(fā)展趨勢； 2. 掌握Al摻雜ZnO薄膜(ZAO)的制備和表征方法； 3. 掌握相關(guān)實驗結(jié)果的處理和分析方法。 二、重點研究的問題1. 研究摻雜對薄膜材料微觀結(jié)構(gòu)的影響； 2. 研究摻雜對薄膜材料電學(xué)性能的影響。 三、進(jìn)度安排序號各階段完成的內(nèi)容完成時間1查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，掌握基本知識12年12月15日- 13年01月25日2熟悉脈沖激光沉積法實驗的操作13年01月26日- 13年03月25日3Al摻雜ZnO薄膜(ZAO)的制備1

3、3年03月26日- 13年04月10日4ZAO薄膜微觀結(jié)構(gòu)的表征13年04月11日- 13年04月20日5ZAO薄膜電學(xué)性能的表征13年04月21日- 13年05月10日6處理實驗數(shù)據(jù)，完成論文初稿13年05月11日- 13年05月18日7修改初稿，制作PPT13年05月19日- 13年05月24日8準(zhǔn)備答辯13年05月25日四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)1 姚綺君, 李德杰. 基于氧化物的半導(dǎo)體薄膜晶體管D. 北京: 清華大學(xué), 2008. 2 P. K. Weimer. The TFT a new thin-film transistorJ. Proceedings of the IRE,

4、 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 panelJ. 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 applicationJ. Elect

5、ronics Letters, 1979, 15(6): 179-181. 5 Tsumora, H. Koezuka, T. Ando. Polythiophene field-effect transistor: its characteristics and operation mechanismJ. Synth Met, 1988, 25: 11-23. 6 R. L. Hoffman, B. J. Norris, J. F. Wager, ZnO-based transparent thin-film transistorsJ. Applied Physics Letters, 20

6、03, 82: 733-736. 7 C. R. Kagan, P. Andry. Thin-Film TransistorsM. 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 applicationsJ. Adv.Mater, 2009, 21:

7、1407-1433. 9 C. Y. Chen, J. Kanicki. High field-effect-mobility a-Si:H TFT based on high deposition-rate PECVD materialsJ. 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 transis

8、torsJ. Phys. Rev. B, 1992, 45(8): 4160-4170. 11 M. J. Powell. Analysis of field effect conductance measurements on amorphous semiconductorJ. Philos. Mag. B, 1981, 43(1): 93-103. 12 R. A. Street, K. Winer. Defect equilibria in undoped a-Si:HJ. Phys. Rev. B, 1989, 40(9): 6236-6249. 13 T. Tiedje, A. Ro

9、se. 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 filmsJ. J. Appl. Phys, 1995, 78(

10、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 transistorsJ. Organic Electronics, 2006, 7(1): 16-21. 21 趙耀東, 杜國同. ZnO基薄膜晶體管的初步研究D. 吉林： 吉林大學(xué), 2010. 22 孫成偉. 射頻反應(yīng)磁控濺射ZnO薄膜能帶工程相關(guān)問題研究D. 大連: 大

11、連理工大學(xué), 2006. 湘 潭 大 學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計)評閱表學(xué)號 姓名 專業(yè) 測控技術(shù)與儀器 畢業(yè)論文題目： Al摻雜ZnO薄膜晶體管的制備與表征 評價項目評 價 內(nèi) 容選題1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點和教學(xué)計劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的；2.難度、份量是否適當(dāng)；3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結(jié)合。能力1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力；2.是否有綜合運用知識的能力；3.是否具備研究方案的設(shè)計能力、研究方法和手段的運用能力；4.是否具備一定的外文與計算機(jī)應(yīng)用能力；5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。論文質(zhì)量1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實驗是否正確，設(shè)計、

12、計算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語是否準(zhǔn)確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何；3.有無理論價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值，有無創(chuàng)新之處。綜合評 價評閱人： 2013年 月 日湘 潭 大 學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計)鑒定意見 學(xué)號： 姓名： 專業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 畢業(yè)論文 21 頁 圖 表 18 張論文題目： Al摻雜ZnO薄膜晶體管的制備與表征 內(nèi)容提要： 首先介紹了TFT的概念、基本性質(zhì)、應(yīng)用及其發(fā)展趨勢。然后利用脈沖激光沉積（PLD）方法在n型重?fù)诫s硅基底上制備了Al摻雜ZnO薄膜(ZAO)，以ZAO薄膜為有源層，利用掩膜和離子濺射技術(shù)制

13、備了底柵頂接觸結(jié)構(gòu)的Al摻雜ZnO薄膜晶體管，即ZAO-TFT。利用掃描電子顯微鏡(SEM)表征了Al摻ZnO薄膜的表面形貌，利用X射線衍射(XRD)表征了ZAO薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，利用半導(dǎo)體參數(shù)測試儀KEITHLEY 4200-SCS對ZAO-TFT的電學(xué)特性進(jìn)行測試，并對相關(guān)結(jié)果進(jìn)行了分析。 指導(dǎo)教師評語同學(xué)在整個畢業(yè)論文的工作中，態(tài)度端正，實驗動手能力較強(qiáng)，能按時完成布置的學(xué)習(xí)任務(wù)和本次畢業(yè)論文的相關(guān)實驗。經(jīng)過幾個月的畢業(yè)論文工作，該生了解了ZnO材料的物理性能、應(yīng)用領(lǐng)域及其發(fā)展趨勢。通過自己動手實驗，制備了Al摻雜的ZnO薄膜晶體管(ZAO)，并用掃描電子顯微鏡和半導(dǎo)體參數(shù)測試儀對樣品的相

14、關(guān)性能進(jìn)行了表征。符合畢業(yè)答辯的要求，同意其參加答辯。 指導(dǎo)教師： 年 月 日答辯簡要情況及評語答辯小組組長： 年 月 日答辯委員會意見答辯委員會主任： 年 月 日目 錄摘要1第1章 引言21.1 薄膜晶體管(TFT)的概述21.1.1 TFT的發(fā)展簡介21.1.2 TFT的結(jié)構(gòu)及工作原理31.1.3 影響TFT電學(xué)性能的參數(shù)51.2 TFT的應(yīng)用51.2.1 TFT在LCD中的應(yīng)用51.2.2 TFT在OLED中的應(yīng)用61.2.3 TFT在柔性顯示中的應(yīng)用61.3 ZnO-TFT的優(yōu)缺點及研究趨勢71.4 本文的選題依據(jù)和主要內(nèi)容7第2章 鋁摻雜氧化鋅薄膜晶體管的的制備92.1 ZAO-TF

15、T的制備方法9 2.2 ZAO-TFT的表征方法102.3 ZAO-TFT 器件的制備132.3.1 ZAO-TFT結(jié)構(gòu)設(shè)計132.3.2 ZAO-TFT的制備流程13第3章 ZAO-TFT的性能表征153.1 SEM分析法163.2 I-V測試分析法163.3 XRD分析法17第4章 總結(jié)18參考文獻(xiàn)19致 謝21鋁摻雜ZnO薄膜晶體管的制備與表征摘要：采用脈沖激光沉積法在N型重?fù)诫s硅基底制備了鋁摻雜ZnO薄膜。以鋁摻雜ZnO薄膜為溝道層，制備了底柵結(jié)構(gòu)的薄膜晶體管。XRD實驗結(jié)果表明，鋁摻雜ZnO薄膜為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，具有良好的c軸擇優(yōu)取向。SEM實驗結(jié)果說明，薄膜表面平整，晶粒尺度分布均勻，

16、無明顯缺陷。電學(xué)測試結(jié)果顯示器件是n溝道增強(qiáng)型。晶體管具有較好的飽和性，關(guān)鍵詞：脈沖激光沉積，薄膜晶體管，擇優(yōu)取向，n溝道增強(qiáng)型Preparation and characterization of Al-doped ZnO thin films transistorAbstract: 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 transi

17、stors 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

18、- TFTs have a good saturation performance.Key Words: Pulsed Laser Deposition, thin film transistors, orientation, x-ray diffraction, n-channel enhanced第1章 引 言1.1 薄膜晶體管(TFT)的概述1.1.1 TFT的發(fā)展簡介進(jìn)入新千年，作為信息產(chǎn)業(yè)的重要構(gòu)成部分顯示器件正在加速推進(jìn)其平板化的進(jìn)程，各種高精度電子產(chǎn)品不斷出現(xiàn)并快速普及，采用新材料和新工藝的大規(guī)模半導(dǎo)體全集成電路制造技術(shù)，是液晶、無機(jī)和有機(jī)薄膜電致發(fā)光平板顯示器的基礎(chǔ)。平板顯示和

19、傳感器件中往往需要有源矩陣來輔助驅(qū)動，即將有源電路集成在每一個陣列單元中來解決器件驅(qū)動中的各種問題。普通有源電路的核心元件是晶體管，有源矩陣的核心元件則是薄膜晶體管(TFT)，TFT是在玻璃或塑料基板等非單晶片上通過濺射、化學(xué)沉積工藝形成制造電路必需的各種膜，通過對膜的加工制作大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路，是一種在基板上使用薄膜工藝制作的場效應(yīng)管1。下表簡述了薄膜晶體管的發(fā)展歷史。20世紀(jì)30年代Lilienfeld在申請的專利發(fā)明中首次描述了場效應(yīng)器件，Heil更加全面的闡述了半導(dǎo)體薄膜作為有源層的特點，共同開辟了TFT器件研究。20世紀(jì)40年代Bardeen和Brattain發(fā)明了雙極結(jié)型晶體管(

20、Bipolar Junction Transistor, BJT)；Shockley發(fā)明了與TFT的特性非常相似的結(jié)型場效應(yīng)晶體管(Junction Field-Effect Transistor，JFET)。1961年今天大家熟知的TFT的發(fā)展歷史始于RCA實驗室的P.K.Weimer的研究工作。他應(yīng)用多晶態(tài)的硫化鎘薄膜做有源層，用SiO2薄膜做絕緣層，成功制作出“交疊型”結(jié)構(gòu)的器件2。1973年Brody等人首次研制出有源矩陣液晶顯示(AMLCD)3，并用CdSe TFT作為顯示的開關(guān)器件，打開了TFT的工業(yè)應(yīng)用之門。1979年LeComber、Spear和Ghaith用非晶硅(a-Si)

21、做有源層，氮化硅作為絕緣層制作出性能較好的TFT器件4。1981年日立制作所的A.Miaumi用分子束外延的方法制作了p-Si TFT5，開關(guān)比大于，遷移率為。1984年取訪精工研制成功像素2英寸的p-Si TFT AMLCD的產(chǎn)品，標(biāo)志AMLCD進(jìn)入實用期。1986年Tsumura等人首次用聚噻吩為半導(dǎo)體材料制備了有機(jī)薄膜晶體管(OTFT)，OTFT技術(shù)開始得到發(fā)展。2003年Hoffman 等25報道了以 ZnO 為溝道層的全透明TFT 并指出可以將其應(yīng)用在有源矩陣驅(qū)動顯示中，開創(chuàng)了氧化物TFT研究的熱潮。Hosono在Science、Nature等期刊上發(fā)表了數(shù)篇有關(guān)IGZO-TFT的文

22、章6，推動了氧化物TFT的迅速發(fā)展。2004年至今a-Si-TFT已是成熟的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)；OTFT、LTPS-TFT和氧化物TFT的研究方興未艾，有望成為下一代主流顯示技術(shù)。表1 TFT技術(shù)發(fā)展簡表表1為TFT技術(shù)發(fā)展簡表，從表1.1可以看出，TFT的發(fā)展與雙極型晶體管(BJT)和金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的發(fā)展息息相關(guān)。1.1.2 TFT的構(gòu)成和工作原理在顯示器件領(lǐng)域，薄膜晶體管(Thin Film Transistor，TFT)作為顯示器件的基本元件與核心元件，它在顯示電路里面主要起開關(guān)作用和驅(qū)動作用。TFT本質(zhì)上是絕緣柵型場效應(yīng)晶體管，是金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體

23、管(MOSFET)的“堂兄弟”7。從結(jié)構(gòu)上講，根據(jù)源/漏電極和柵電極的位置的不同，TFT可分為底柵頂接觸、底柵底接觸、頂柵底接觸和頂柵頂接觸四種類型(如圖1.1所示)8。從材料類型上講，根據(jù)有源層半導(dǎo)體材料的不同，TFT可分為非晶硅TFT、多晶硅TFT、有機(jī)TFT和氧化物TFT。目前絕大部分的TFT-LCD中使用的TFT，都是采用底柵型的非晶硅(amorphous silicon, a-Si: H)薄膜晶體管。底柵型結(jié)構(gòu)的獨特優(yōu)點是：金屬柵極和絕緣層同時可以作為非晶硅溝道層的光學(xué)保護(hù)層，以防止背光源發(fā)出的光照射到非晶硅層進(jìn)而產(chǎn)生光生載流子，破壞溝道層的電學(xué)特性。圖1.1 TFT的基本結(jié)構(gòu)：底柵

24、頂接觸、底柵底接觸、頂柵底接觸和頂柵頂接觸下面以底柵結(jié)構(gòu)的非晶硅TFT為例，介紹TFT的構(gòu)成與工作原理。如圖1.2所示，底柵結(jié)構(gòu)的非晶硅TFT具有一個SiNX材料的柵極(gate)，源極(source)和漏極(drain)各一個，一般由ITO(Indium tin oxide，氧化銦錫)構(gòu)成。非晶硅TFT的主要結(jié)構(gòu)是一個非晶硅半導(dǎo)體薄膜；半導(dǎo)體層的兩端，各經(jīng)過一層N+型摻雜的非晶硅層，與源極與柵極電極相連接(實現(xiàn)歐姆接觸)。圖1.2 底柵頂接觸型非晶硅TFT的剖面示意圖(a)(b)圖1.3 非晶硅TFT電學(xué)性能圖：(a)輸出特性曲線圖；(b)轉(zhuǎn)移特性曲線圖圖1.3所示為典型的底柵結(jié)構(gòu)的非晶硅T

25、FT電學(xué)性能曲線圖9，器件溝道的寬長比為WL=116m32m。圖1.3 (a)為輸出特性曲線圖。源漏電壓VDS從0V到20V，柵極偏壓VGS從OV到20V，間隔為5V。從圖1.3(a)可以看出柵極偏壓VGS對源漏電流IDS的調(diào)控顯著。柵極偏壓為零時，源漏電流IDS幾乎為零，說明有源層中沒有形成導(dǎo)電溝道，TFT處于關(guān)斷狀態(tài)，表明此非晶硅TFT是增強(qiáng)型器件；隨著柵極偏壓正向增大，有源層中的電子逐漸向有源層和絕緣層界面移動，柵極偏壓大于閾值電壓后，有源層中的導(dǎo)電溝道開始形成，并且溝道電流IDS隨著柵極偏壓的增大而增大，表明非晶硅TFT工作在N溝道模式。漏極電壓逐漸加大，TFT的輸出曲線由線性區(qū)過渡到

26、飽和區(qū)，表現(xiàn)出很好的飽和性。VGS=20V時，源/漏飽和電流IDS超過20A。圖1.3(b)為轉(zhuǎn)移特性曲線，Vgs=10V時，器件的開關(guān)比大于107。當(dāng)柵極電壓VGS加至10V時，TFT可具有超過10-5A的源/漏電流，而柵極電壓VGS為-5V至0V時，晶體管是關(guān)閉的，源/漏電電流IDS小于10-12A。因此，藉由設(shè)定柵極電壓，可以達(dá)到控制半導(dǎo)體作為開關(guān)的目的，TFT的電壓-電流公式，可遵循MOSFET的基本公式：當(dāng) Vgs-VthVds時，有Ids=eff(ins0tins)WLVgs-VthVds當(dāng) Vgs-Vth<Vds時，有Ids=12effins0tinsWLVgs-Vth2式

27、中tins為柵絕緣層厚度，從而ins0tins為單位面積柵絕緣層的電容值，W為導(dǎo)電溝道寬度；L為導(dǎo)電溝道長度；Vgs為柵極-源極電壓；Vds為源極-漏極電壓；Vth為截止電壓(threshold voltage，或稱為閾值電壓)。特別要提的是，eff為等效載流子遷移率，其中包括了對載流子實際遷移率0與缺陷數(shù)目Ndefect與載流子數(shù)目Nfree的修正項：eff=0Nfree/Nfree+Ndefect一般而言，非晶硅TFT的載流子實際遷移率0大致在10cm2/Vs左右，但由于缺陷數(shù)目太多，柵極所吸引的大部分電荷被攫取在缺陷中而無法提供導(dǎo)電能力，使得等效載流子遷移率僅剩下不到1cm2/Vs10-

28、14。1.1.3 影響TFT電學(xué)性能的參數(shù)影響TFT電學(xué)性能的參數(shù)如表2所示。TFT主要參數(shù)定義、工作原理與影響因素場效應(yīng)遷移率場效應(yīng)遷移率是指在單位電場下，電荷載流子的平均漂移速率。=E/v，式中E為電場強(qiáng)度，v為載流子移動速度。它反映了在不同電場下空穴或電子在有源層溝道中的遷移能力，單位為cm2V-1s-1。當(dāng)器件工作在線性區(qū)時，=LWCiVDS/IDSVGS；工作在飽和區(qū)時，=2LWCiIDSVGS2。場效應(yīng)遷移率的影響因素有半導(dǎo)體純度，結(jié)晶質(zhì)量，晶粒尺寸，電極接觸以及溝道寬長比等。閾值電壓Vth閾值電壓Vth是用來度量TFT中開啟導(dǎo)電溝道所須的柵電，單位為V。閾值電壓Vth一般從以下兩

29、方面獲得：1.根據(jù)描述TFT工作在線性區(qū)域的公式，在VDS較小時的轉(zhuǎn)移曲線的線性區(qū)域外推至零電流處即為Vth；2.利用飽和區(qū)TFT轉(zhuǎn)移特性曲線IDS12-VGS中，進(jìn)行線性擬合，擬合線斜率所在直線的延長線與柵壓軸的交點截距即為閾值電壓Vth。開關(guān)比Ion/Ioff開關(guān)比Ion/Ioff在數(shù)值上等于器件的開態(tài)電流(Ion)與關(guān)態(tài)電流之比(Ioff)，它反映了器件對電流的調(diào)控能力。一般而言，Ion/Ioff要大于34×106，如果TFT元件不能提供大于這個值的開關(guān)電流比，不論儲存電容如何設(shè)計，其結(jié)果不是大致保持電位但不能在預(yù)定時間內(nèi)完成充電，就是預(yù)定時間內(nèi)完成充電但不能保持電位，即無法滿

30、足充電電位保持兩個要求，因此無法作為TFT-LCD的開關(guān)。亞閾值擺幅S亞閾值擺幅S是指漏源電流降低一個數(shù)量級所跨的柵壓值，單位為mV/decade。它表征TFT由關(guān)態(tài)切換到開態(tài)時電流變化的迅疾程度，是用來表征TFT器件質(zhì)量的一個重要參數(shù)，表達(dá)式為：S=dVGSdlogIDS.。S越小，表明TFT從關(guān)態(tài)切換到開態(tài)所需要的電壓變化越小，當(dāng)然需要的切換時間就越少。這個數(shù)值依賴于絕緣層的電容率Ci，可以直接比較不同器件的性能。表2 TFT的主要性能參數(shù)1.2 TFT的應(yīng)用1.2.1 TFT在LCD中的應(yīng)用TFT在LCD顯示單元中起開關(guān)作用，當(dāng)該顯示單元被選通時，加在柵極上的脈沖電壓使 TFT 打開，存

31、儲電容充電，隨后TFT關(guān)閉，在此后一幀圖像的掃描時間里，存儲電容上一直保持著先前寫入的電壓，并施加在液晶單元上。通過調(diào)節(jié)導(dǎo)入電壓的幅度可以改變液晶的透光率，從而達(dá)到圖像顯示的目的。TFT的引入解決了LCD的亮度、對比度、灰度、色彩、響應(yīng)時間、功耗等一系列問題，可實現(xiàn)比較理想的圖像顯示。1.2.2 TFT在OLED中的應(yīng)用 當(dāng)在OLED元件上施加電壓時，電壓源的陽極所提供的空穴，與陰極所產(chǎn)生的電子，會在OLED的發(fā)光層內(nèi)發(fā)生電子-空穴復(fù)合，所產(chǎn)生的能量，則以光的形式散發(fā)，從而達(dá)到發(fā)光的目的。1987年，柯達(dá)公司提出了OLED的器件結(jié)構(gòu)，隨后在得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的頻頻研究，近幾年進(jìn)步很快。OLE

32、D顯示單元是電流驅(qū)動的，與OLED顯示單元串聯(lián)的驅(qū)動用TFT，其開態(tài)導(dǎo)通電流正比于OLED的發(fā)光亮度。如果采用場致遷移率值較低的非晶硅TFT，為達(dá)到顯示器的亮度要求，只有增大TFT的寬長比，這給像素設(shè)計帶來很多限制。開發(fā)具有高遷移率的低成本TFT是解決上述問題的一個途徑。OLED被認(rèn)為是繼TFT LCD之后下一代平面顯示技術(shù)，它具有構(gòu)造簡單，厚度薄，自發(fā)光器件，不需要背光源，比較寬的工作溫度范圍以及反應(yīng)速度快等優(yōu)點。TFT在OLED當(dāng)中作為開關(guān)器件使用時，要求開態(tài)電流與關(guān)態(tài)電流之比要比較大；作為驅(qū)動器件使用時，要求線性區(qū)工作電流比較穩(wěn)定，沒有偏置，且其開態(tài)導(dǎo)通電流正比于OLED的發(fā)光亮度。1.

33、2.3 TFT在柔性顯示中的應(yīng)用研究人員普遍認(rèn)為，未來顯示器的一般特征是：“Everywhere! Any Shape!”、“Digital Life”、“Go Green”，即未來的顯示器是可以在任何場所使用的綠色節(jié)能數(shù)字顯示器，可以形成任何形狀，比如窗戶、衣服、掛畫等都可以成為顯示器，柔性顯示器滿足以上特征。TFT在柔性顯示中的應(yīng)用發(fā)展十分迅猛，下面以20102013年為例：2010年，臺灣工研院15利用其開發(fā)的玻璃基板柔性顯示器制造技術(shù)，在玻璃基板上形成剝離層，并在上面涂覆聚酰亞酰胺薄膜，之后將該聚酰亞酰胺薄膜作為基板，在其上制造TFT及傳感器元件，該方法高精度可控；2010年，凸版印刷

34、公司16使用TAOS涂膜在玻璃基板上制造了TAOS-TFT后成功驅(qū)動了電子紙。TAOS-TFT制造工藝的最高溫度為240250，TFT的遷移率為5.4cm2Vs；2011年，利用氧化物半導(dǎo)體TFT技術(shù)，LG17開發(fā)出55英寸有機(jī)EL顯示器，該公司的55英寸有機(jī)EL面板厚度不到5mm，實現(xiàn)了薄型輕量，耗電量也低于該公司的液晶面板。對比度高于液晶面板，為100000:1以上，像素響應(yīng)速度是液晶面板的1000倍以上；2012年，美國亞利桑那州立大學(xué)18的柔性顯示器中心(Flexible Display Center，F(xiàn)DC)宣布，試制出了7.4英寸的柔性有機(jī)EL顯示屏，“是世界最大尺寸的柔性有機(jī)EL

35、顯示屏”。顯示屏的背板采用名為“mixed oxide”的氧化物半導(dǎo)體TFT?？梢岳靡延械姆蔷Ч鑄FT生產(chǎn)線，因此預(yù)計能大幅降低制造成本；2013年，凸版印刷和Plastic Logic公司19利用TFT技術(shù)，共同研發(fā)了大尺寸柔性數(shù)字標(biāo)牌試制品，該試制品是相當(dāng)于42英寸的可彎曲電子紙，由16張10.7英寸、1280×960像素的單色電子紙拼接而成。1.3 ZnO-TFT的優(yōu)缺點及研究趨勢 ZnO是工業(yè)上的常用材料，價格便宜，無毒無害，在功能器件方面的應(yīng)用包括壓敏/3電阻、透明導(dǎo)電膜、氣體傳感器、聲學(xué)換能器等等，在紫外光發(fā)射二極管和紫外探測方面也具有潛在的應(yīng)用價值。ZnO是人們最熟悉

36、的氧化物半導(dǎo)體，這是我們一開始就選擇ZnO材料來嘗試制作氧化物半導(dǎo)體TFT的主要原因。ZnO是一種天然自摻雜的N型半導(dǎo)體，很容易結(jié)晶，有利于得到高載流子遷移率的薄膜，而且可以采用多種鍍膜方法進(jìn)行沉積。這也構(gòu)成了利用ZnO材料作為TFT半導(dǎo)體層的基礎(chǔ)之一。ZnO-TFT雖然有很多獨特的優(yōu)點，但研制過程中仍然有一些問題需要解決。如ZnO-TFT器件關(guān)態(tài)電流較大、器件工藝重復(fù)性較差，器件性能和穩(wěn)定性需要改進(jìn)。在降低工藝溫度的同時也需要提高各層薄膜間的兼容性。 為了獲得高性能、低成本的ZnO-TFT，到目前為止，除了制備工藝等條件的簡化和改進(jìn)的研究，很多學(xué)著轉(zhuǎn)向?qū)τ谠趯嵺`中持久應(yīng)用出現(xiàn)的穩(wěn)定性問題，如

37、實際應(yīng)用中光照，長期加壓，長期加上電流等對器件性能參數(shù)造成的偏移等的研究，這是氧化物TFT除了上面所說的P型制備較難以外存在的另一個熱門研究問題，雖然其禁帶寬度較寬，但是在實際應(yīng)用中，還是會受到外界影響，如長期的偏壓，光照等的影響，氧化物TFT的這些穩(wěn)定性問題的研究解決對于其步入實際應(yīng)用非常有必要，在實際應(yīng)用中還要注意提高各層薄膜間的的兼容性。最后一點是漏源電流偏置問題，漏源電流偏置問題在有機(jī)TFT中存在比較普遍，在氧化物TFT中不甚明顯，但是從很多氧化物TFT的報道中我們發(fā)現(xiàn)它還是存在的。漏源電流偏置扭曲了TFT在線性區(qū)的電學(xué)性能，降低了電流的驅(qū)動能力，對其在應(yīng)用中產(chǎn)生不良的影響20，這是本

38、論文研究的主要問題。未來TFT技術(shù)將會以高密度高分辨率、節(jié)能化、輕變化、集成化等為發(fā)展主流，只有良好的解決上面的所有問題，才能為ZnO-TFT器件在未來的廣泛發(fā)展鋪好道路。TFT器件的研發(fā)為顯示技術(shù)的應(yīng)用帶來了重大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，相信在不久的將來，以O(shè)TFT和ZnO-TFT等新型器件為核心器件的平板顯示器產(chǎn)品，會推動下一代光電子學(xué)的突飛猛進(jìn)。1.4 本文的選題依據(jù)和主要內(nèi)容ZnO是一種直接帶隙、寬禁帶氧化物半導(dǎo)體，常溫下，其禁帶寬度為3.37eV，激子結(jié)合能為60eV，這表明ZnO激子有很好的穩(wěn)定性。理論上來講，具有較大束縛能的激子更容易在室溫下實現(xiàn)高效率的激光發(fā)射，正因如此，使得ZnO薄膜具有

39、優(yōu)良的光學(xué)、電學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性。但是，ZnO薄膜晶體管的性能還不完善，人們不斷尋求高的場效應(yīng)遷移率以及它環(huán)境的穩(wěn)定性等等。通過摻雜增加ZnO薄膜的載流子濃度，近年來已成為研究熱點。20世紀(jì)70年代末，人們開始關(guān)注一種新型的透明導(dǎo)電材料摻鋁氧化鋅薄膜。 ZAO薄膜是一種透明導(dǎo)電膜，其禁帶寬度大于可見光子能量，對光的透射率大于80%，且ZAO的薄膜的載流子濃度很高，表現(xiàn)出類金屬的性質(zhì)，因此，相比于ZnO薄膜晶體管，它具有更好的光學(xué)特性和電學(xué)特性，而且制備工藝簡單、價格低、材料來源豐富、無毒和穩(wěn)定性好。而隨著薄膜制備技術(shù)的日益完善，ZAO的應(yīng)用得到了快速的發(fā)展，日本東京曹達(dá)公司已經(jīng)推出了ZAO靶材

40、，國內(nèi)也有公司提供了小塊靶材。其領(lǐng)域也越來越廣泛，如在太陽能電池、液晶顯示等領(lǐng)域中都有廣闊的應(yīng)用前景。為了進(jìn)一步提高ZAO薄膜的性能，研究人員對相關(guān)方面(如參雜物的作用、微觀結(jié)構(gòu)對其電導(dǎo)率的影響、制備工藝的完善、開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域等)的研究越來越深入。葉志鎮(zhèn)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組通過脈沖激光沉積技術(shù)，在硅襯底上制的摻鋁氧化鋅，其穩(wěn)定性超過9個月，且具有很好的電學(xué)與光學(xué)性能21。本文以此為依據(jù)，通過向ZnO摻入Al的實驗來驗證摻雜的實際效果。首先利用PLD方法制備了Al摻雜的ZnO薄膜晶體管(ZAO)，對熱處理之后的氧化物薄膜進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)表征，使用X射線衍射(XRD)表征了ZAO薄膜的微觀

41、結(jié)構(gòu)，最后使用半導(dǎo)體系數(shù)測試儀測量了其I-V性能。第2章 ZAO的制備2.1 ZAO-TFT的制備方法1) 磁控濺射方法：磁控濺射技術(shù)是一種以離子濺射子為基礎(chǔ)的薄膜制備技術(shù)。它是指高能離子轟擊靶材表面時，高能粒子沉積在襯底上，使得薄膜與襯底附著良好從而得到想要的薄膜。其優(yōu)點是膜厚可控濺射時基片溫升低、形成的薄膜結(jié)晶性能較好。但也存在著薄膜材料與基片之間可能發(fā)生反應(yīng)的缺點22。2) 金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD):該技術(shù)是以金屬有機(jī)化合物或氫化物作為生長源材料，以熱分解的方式在襯底上進(jìn)行氣相外延，經(jīng)過一系列的反應(yīng)后最終在襯底表面上行程外延層。該方法最顯著的技術(shù)特點是可以合成以任意比例組成的人

42、工合成材料，同時,該方法可以對所生長的薄層材料的厚度和界面進(jìn)行精確控制,還可以生長大面積、均勻的半導(dǎo)體薄膜,適合大批量生產(chǎn)。但也存在缺乏實時在位監(jiān)測生長過程技術(shù)、設(shè)備昂貴、參數(shù)控制難的缺點。3) 分子束外延法(MBE)：分子束外延法是在在超高真空高溫下，產(chǎn)生蒸氣，在真空中膨脹后，直接噴射到襯底上進(jìn)行外延生長。其優(yōu)點是膜的組分和摻雜濃度能隨源的變化而迅速調(diào)整及可對厚度、成分與結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確控制。但其生長周期長，對原材料有較高的純度要求。4) 原子層沉積(ALD)：原子層沉積也被稱為原子層化學(xué)氣相沉積，是利用反應(yīng)氣體和基板之間的反應(yīng)，以單原子膜形式一層層的鍍在基底表面的方法，其主要特點是原子層沉積過

43、程中，每次反應(yīng)只沉積一層原子。它能精確控制薄膜特性，使薄膜更平滑均勻、重復(fù)性更好。5) 脈沖激光沉積：脈沖激光沉積法(PLD)是一種有效制備薄膜的物理氣相沉積法。脈沖激光器產(chǎn)生高功率脈沖激光，經(jīng)透鏡聚焦后照射在靶材表面上，靶材表面在高溫下迅速加熱、蒸發(fā)、電離，隨著脈沖激光的進(jìn)一步作用，靶材最終會形成具有高溫高壓的等離子體，這種等離子體繼續(xù)和激光相互作用在空間作定向局域膨脹擴(kuò)散后，沉積在襯底上形成薄膜。PLD的優(yōu)點是激光器瞬間蒸發(fā)的等離子體能量很高，容易在較低的襯底溫度下沉積薄膜，且薄膜組分控制較精確；過程無污染，工藝簡單易于控制，能制備多種薄膜。本文采用PLD法制備AZO薄膜，所用儀器為美國P

44、VD公司研制的PLD-5000脈沖激光沉積系統(tǒng)。圖2.1為PLD-5000的實物圖與基本裝置示意圖。從圖中可以看出，我們的PLD-5000系統(tǒng)主要由激光器、光路系統(tǒng)和真空沉積系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)的激光器采用德國COHERENT公司研制的compex205準(zhǔn)分子激光器，此激光器以KrF為工作氣體，激光波長為248nm，最大脈沖能量與最大重復(fù)頻率分別是700mJ和50Hz，脈沖寬度為20ns，聚焦光斑為2×10mm。真空沉積腔內(nèi)的加熱器提供的最大溫度為950，氣氛壓強(qiáng)控制范圍是1-250mTorr，靶材與襯底理論距離為87-150mm，激光入射角為60°，沉積腔真空度為5×

45、;10-8Torr。 PLD-5000系統(tǒng)制備薄膜的主要過程是：激光器產(chǎn)生的激光由透鏡會聚后經(jīng)兩面反射鏡入射到真空沉積腔并打在靶材上，隨后高能量的激光燒蝕靶材表面，使靶材受熱熔化、氣化直至變?yōu)榈入x子體，然后等離子體羽輝按垂直與靶材表面的方向向襯底運動，最后輸運到襯底上凝聚、成核至形成薄膜。該系統(tǒng)最大的特點是能夠通過電腦軟件精確控制激光分段掃描靶材表面的速度與位置。同時，該系統(tǒng)能夠?qū)饴愤M(jìn)行自動調(diào)焦使激光掃描靶材時表面能量密度保持不變，使脈沖激光沉積法制備均勻大面積薄膜不再是一個難題。系統(tǒng)配置了三個靶位，可以放置三個不同材料的靶材，便于制備多層膜和異質(zhì)結(jié)。43152圖2.1 PLD-5000系統(tǒng)

46、示意圖1-激光器，2-系統(tǒng)控制電腦，3-光路系統(tǒng)，4-沉積腔，5-襯底送取裝置2.2 ZAO-TFT的表征方法1) 掃描電子顯微鏡(FE-SEM) 掃描電子顯微鏡(FE-SEM)由電子槍、聚光鏡、物鏡等組成，掃描電鏡光路與結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示。聚光鏡、物鏡將電子槍發(fā)出的電子會聚在試樣上，經(jīng)過試樣內(nèi)的多次彈性散射和非彈性散射后，在樣品表面外形成多種信號，這些信號經(jīng)過探測器探測后送到顯像管。物鏡內(nèi)有兩組偏轉(zhuǎn)線圈使樣品上的電子束掃描，同時顯像管內(nèi)的電子束作同步掃描，于是試樣的二次電子和背散射電子信號在顯像管熒光屏上顯示樣品的放大像。圖像的分辨率主要由會聚到試樣的電子束的直徑?jīng)Q定。目前的場發(fā)射電子槍電鏡中電子束直徑會聚到1nm。掃描電鏡最基本的成像信號是二次電子像，它主要反映樣品外表立體形貌。掃描樣品的表面總是高低起伏、凹凸不一的，因此，掃描電子束在樣品上轟擊時，其角度和方向不同，激發(fā)出的二次電子數(shù)量也不同，而且這些二次電子向空間散射的角度和方向也不同，因此，二次電子的數(shù)量是樣品表面特征和入射角的函數(shù)，二次電子的出射方向又與樣品表面特征有關(guān)。在本論文中，使用的掃描電子顯微鏡型號為Hitachi S4800，實物圖如圖2.3所示。圖2.2 掃描電鏡光路與結(jié)構(gòu)圖圖2.3 Hitachi S4800掃描電鏡