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磁控溅射沉积氧化铟薄膜及其TFT器件应用研究

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致谢

第一章 绪论

1.1 In2O3材料及薄膜晶体管的研究现状

1.1.1 In2O3薄膜材料现状

1.1.2 薄膜晶体管以及基于In2O3薄膜晶体管现状

1.2 磁控溅射沉积薄膜的原理

1.3 磁控溅射生长In2O3薄膜的背景

1.4 本文研究的内容

第二章 射频磁控溅射生长In2O3薄膜

2.1 使用的磁控溅射仪器介绍

2.1.1 设备组成

2.2 In2O3薄膜生长

2.2.1 溅射气体

2.2.2 其他生长参数

2.3 磁控溅射操作流程

2.3.1 玻璃清洗步骤

2.3.2 磁控溅射仪器详细操作步骤

2.4 小结

第三章 In2O3薄膜的物理特性表征

3.1 测试方法介绍

3.1.1 XPS原理

3.1.2 AFM测表面形貌以及SEM观察式样形貌的原理

3.1.3 X射线衍射(XRD)原理

3.1.4 紫外分光光度计

3.1.5 霍尔效应原理

3.2 测试结果及分析

3.2.1 XPS测试结果及分析

3.2.2 AFM及SEM测试结果及分析

3.2.3 XRD测试结果及分析

3.2.4 透射谱测试结果分析

3.2.5 霍尔效应测试结果及分析

3.3 小结

第四章 In2O3 TFT器件

4.1 In2O3 TFT的工作原理

4.1.1 线性区

4.1.2 饱和区

4.1.3 TFT主要参数

4.2 In2O3 TFT的结构

4.3 底栅式In2O3 TFT器件的制作

4.4 底栅式In2O3 TFT性能测试

4.5 小结

第五章 工作总结和展望

参考文献

作者简历

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摘要

薄膜晶体管在有源矩阵寻址液晶显示器(AMLCD)中处于关键地位,它的研发历来是该领域研究中的重点。非晶硅薄膜晶体管(α-Si TFT)易于在低温下大面积制备,技术成熟,是目前使用最广的技术。但由于α-Si材料的禁带宽度只有1.7eV,在可见光波段透过率较低,所以α-SiTFT的开口率未能达到100%,这阻碍了显示器件性能的进一步提高。
   氧化铟(In2O3)是一种宽禁带的N型半导体材料,其室温下直接禁带宽度约为3.65eV,在可见光范围的透明度超过90%,并且单晶氧化铟有着很高的迁移率(160 cm2/V·s),这使得氧化铟成为制备透明电子器件的重要候选材料之一。用氧化铟做有源层制备高性能的透明薄膜晶体管(In2O3-TFT),并用它来做像素开关元件应用于有源矩阵,这可能使有源矩阵显示器性能得到较大提高。
   本文通过磁控溅射方法制备In2O3薄膜材料,一方面对其微结构特性进行研究,另一方面,研究基于In2O3有源层的TFT器件,进而获得性能优异的器件。
   首先,我们对一系列不同条件下生长的In2O3薄膜进行多项物理特性表征与分析。XPS显示我们制备了高纯的In2O3薄膜。通过原子力显微镜(AFM)观察薄膜形貌,发现较低温度下生长的In2O3薄膜表面较高温样品表面平滑,而高温退火后的样品表面也较低温更为粗糙。XRD分析显示,不管是提高生长温度还是退火温度,都可以改善薄膜的结晶质量。但相比较而言,退火的效果要更为合适。对样品进行透射谱分析显示,In2O3薄膜的可见光范围透过率超过90%,并通过理论拟合得到了带隙宽度(3.68eV)。霍尔效应的测试结果表明纯Ar气氛下的In2O3薄膜较O2气溅射的薄膜迁移率要更高。同时,随着生长温度的提高,薄膜的电子浓度也提高到了1020cm-3的数量级,相应的迁移率也降低了,这对器件制作也是极为不利的。而空气退火虽然会降低电子浓度,但也会导致迁移率的下降。只有真空退火可以提高薄膜的迁移率,并且进一步分析后,In2O3薄膜的导电机制更加符合晶界散射模型。
   其次,利用光刻工艺成功制备出氧化铟薄膜晶体管,器件采用底栅式结构,以ITO玻璃为衬底,腐蚀出TFT栅电极,采用PECVD方法沉积氮化硅绝缘层,进而室温下用磁控溅射沉积氧化铟有源层,最后用热蒸发方法蒸镀铝膜作为源漏电极。通过电学特性测试,得到器件的输出特性曲线和转移特性曲线。结果显示,我们虽然制备除了有效迁移率较高的TFT,但开关比较低且均为耗尽型结构。而长期暴露于大气之中,TFT的性能也会受到影响:开关比得到提高,但是迁移率却下降,这都使得器件的工艺制作需要进一步改良。

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