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基于金属氧化物半导体的电子器件集成

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摘要

第1章 绪论

1.1 n型氧化物半导体IGZO

1.1.1 历史

1.1.2 光电性能

1.1.3 目前的应用

1.2 p型氧化物半导体SnO

1.2.1 历史

1.2.2 光电性能

1.2.3 与其他p型金属氧化物的对比

1.2.4 目前的应用

1.3 介质Ta2O5

1.4 研究动机

第2章 氧化物半导体器件

2.1 薄膜晶体管(TFT)

2.1.1 历史

2.1.2 工作原理

2.1.3 非理想TFT

2.2 肖特基势垒二极管(SBD)

2.2.1 历史

2.2.2 工作原理

2.3 MIM二极管

2.3.1 历史

2.3.2 工作原理

2.3.3 应用

第3章 实验制备、表征与测量

3.1 衬底清洗

3.2.1 所需工具

3.2.2 所用洗液

3.2.3 工具的清洗

3.2.4 衬底具体清洗步骤

3.2 溅射

3.3.1 工作原理

3.3.2 设备介绍

3.3.3 防止靶材碎裂

3.3 电子束蒸发

3.5.1 工作原理

3.5.2 设备介绍

3.5.3 腔体的清洁

3.4 热蒸发

设备介绍

3.5 扫描电子显微镜

3.6.1 设备介绍

3.6.2 工作原理

3.6 Shadow Mask

3.7 紫外曝光

3.7.1 历史

3.7.2 光刻胶

3.7.3 显影液

3.7.4 光刻板

3.7.5 光刻机

3.7.6 光刻流程

3.8 电子束曝光

3.8.1 工作原理

3.8.2 设备介绍

3.9 ICP干法刻蚀

3.9.1 历史

3.9.2 工作原理

3.9.1 设备介绍

第4章 实验部分

4.1 AR-P 5350光刻工艺条件的摸索

4.1.1 硅衬底上的光刻工艺条件的摸索

4.1.2 PEN衬底上光刻工艺的改进

4.1.3 小结

4.2 IGZO干法刻蚀条件的摸索

4.2.1 样品准备

4.2.2 刻蚀工艺摸索过程

4.2.3 小结

4.3 IGZO TFT

4.3.1 实验步骤

4.3.2 结果与讨论

4.3.3 小结

4.4 SnO SBD

4.4.1 欧姆电极材料的选择

4.4.2 肖特基电极材料的选择

4.4.3 不同结构对SnO SBD的影响

4.4.4 不同肖特基金属和界面处理对整流特性的影响

4.4.5 不同厚度的SnO对SnO SBD的影响

4.4.6 Al-SnO接触的能带结构

4.4.7 小结

4.5 Ta2O5 MIM二极管

4.5.1 实验步骤

4.5.2 实验结果与比较

4.6 无源13.56 MHz RFID标签电源

第5章 总结和展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录

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摘要

本文在第1章首先介绍了可穿戴设备、柔性显示器、透明屏幕等应用的需求对柔性电子学和透明电子学发展的促进。接着介绍了柔性电子学和透明电子学中中的有希望得到广泛应用的材料:非晶铟镓锌氧化物(amorphous indiumgalliumzinc oxide,以下缩写为α-IGZO)、氧化亚锡(tin monoxide,以下缩写为SnO)等金属氧化物半导体和五氧化二钽(以下用其化学式Ta2O5)金属氧化物介质,其中着重研究了这些材料的历史发展和研究情况,包括材料性能以及相关的应用,紧接着引出本文的研究动机。
  第2章介绍了常见半导体器件的历史发展、工作原理和相关应用,包括薄膜晶体管(thin film transistor,以下用其缩写TFT)、肖特基势垒二极管(Schottky barrier diode,以下用其缩写SBD)和金属-介质-金属(metal-insulator-metal,以下用其简称MIM)二极管。
  第3章列出了实验中器件制备和表征的常见方法和设备,包括衬底清洗、射频磁控溅射、电子束蒸发、热蒸发、shadow mask、扫描电子显微镜、紫外曝光、电子束曝光和干法刻蚀。
  读研期间的实验主要在第4章中介绍,可以分为工艺摸索、器件制备和器件集成三个部分。工艺摸索部分研究了AR-P5350光刻胶光刻工艺的摸索,IGZO干法刻蚀工艺的摸索,溅射IGZO制备TFT工艺的摸索。器件制备部分详细研究了SnO SBD,讨论了欧姆电极材料和肖特基电极材料的选择,探究了不同结构、不同肖特基金属电极、不同SnO厚度对二极管性能的影响,分析了铝与SnO接触的能带结构。器件制备部分最后研究了了基于Ta2O5的MIM二极管,开关比可达103。在器件集成部分,基于IGZO的二极管与13.56MHz射频识别(radiofrequency identification,以下用其缩写RFID)天线被集成到柔性聚酰亚胺衬底上,发现基于IGZO的二极管能够整流手机近场通信(near fieldcommunication,以下用其简称NFC)发射出的13.56MHz无线电,有望为无源RFID标签的逻辑控制部分和记忆存储部分提供直流电源。
  第5章为结论和展望,主要对攻读硕士学位三年期间的工作的总结以及对氧化物半导体器件的后续研究方向的设计。
  论文的结尾部分主要是论文中的参考文献、攻读硕士学位期间所获得的心得以及致谢。

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