p型NiO_x-TFT器件的制备工艺探索与性能优化
Research on Preparation Process and Optimization of p-type NiO_x-TFT Device
当前n型氧化物薄膜晶体管(TFT)已经能够胜任平板显示器件,但是更复杂的应用却需要基于n型及p型半导体的互补金属-氧化物-半导体(CMOS)构架.由n型及p型薄膜晶体管共同构成的CMOS器件是复杂逻辑电路的基石,其具有功耗低、速度快、抗干扰能力强、集成度高等优点.遗憾的是,大部分氧化物半导体都是n型的,p型氧化物半导体种类异常稀少且性能(器件迁移率等)远远落后于n型材料,这严重制约了基于氧化物半导体CMOS器件的发展.近年来,NiOx由于其优异的光学性能和化学稳定性吸引了广泛的关注,是一种非常有前景的p型氧化物半导体材料.然而,对p型NiOx-TFT的研究仍然处于初步阶段,需要进一步探索.本论文对溶液法制备p型NiOx薄膜及其TFT器件进行了系统的研究,主要内容如下:第一,研究了不同退火温度对NiOx-TFT器件性能的影响,发现器件的综合电学性能随着退火温度的升高先变好后变差.这主要是因为随着退火温度的升高,逐步消除了NiOx薄膜中的有机残留物(C-,N-等相关组分),从而使器件性能有了明显的改善.然而,随着退火温度的进一步升高,由于表面原子的团簇现象,加重了频繁的散射事件;而且在更高的退火温度下,进一步减少了Ni2+空位,降低了空穴载流子的浓度,这些都导致了器件性能的变差.实验表明250℃是最佳退火温度.第二,研究了不同有源层的厚度对NiOx-TFT器件的影响.发现有源层厚度过小,空穴载流子会受到NiOx薄膜背表面散射的影响,导致器件无法开启.有源层的厚度过大,NiOx薄膜内部的缺陷态急剧增大,增加了空穴载流子在输运过程中散射及俘获的几率,从而使迁移率下降.第三,为了进一步提高器件的电学性能,我们研究了不同源漏电极及前驱体溶液中乙醇胺(MEA)的掺入对NiOx-TFT器件的影响.研究表明金属电极的选择对NiOx-TFT器件性能有较大的影响.同时我们发现前驱体溶液中MEA掺入会直接影响空穴载流子的含量.通过优化实验条件,NiOx-TFT器件表现出良好的电学性能:μ(迁移率)=0.48cm2v-1s-1,S(亚阈值摆幅)=1.22 V/Dec,Vth(阈值电压)=11.8 V,Ion/off(开关比)=1.7*103.第四,我们采用溶液法制备出的Al2O3代替传统的SiO2栅介质,制备出了的NiOx/Al2O3 TFT器件表现出了优异的电学性能:μ=5.92 cm2v-1s-1,S=0.13 V/Dec,Vth=-0.83 V,Ion/off=3.5*106.NiOx/Al2O3 TFT比NiOx/SiO2 TFT器件迁移率增大了10倍,阈值电压减小了15倍,开关比增大了三个数量级,电学性能得到了极大的提高.这主要归因于Al2O3较大的单位面积电容以及NiOx和Al2O3低的界面态密度.
- 作者：
- 张军鹏
- 学位授予单位：
- 深圳大学
- 专业名称：
- 材料科学与工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2018年
- 导师姓名：
- 朱德亮
- 中图分类号：
- TB383.2；TN321.5
- 关键词：
- NiO_x薄膜晶体管；溶液法；退火温度；有源层厚度；Al2O3绝缘层
- NiO_x-TFT; Solution process; Annealing temperature; Active layer thickness; Al2O3 dielectric;