磁控濺射沉積ZnO納米薄膜及其TFT器件研究.pdf

1、薄膜晶體管在有源矩陣尋址液晶顯示器(AMLCD)中處于關(guān)鍵地位,它的研發(fā)歷來(lái)是該領(lǐng)域研究中的重點(diǎn)。非晶硅薄膜晶體管(α-Si TFT)易于在低溫下大面積制備,技術(shù)成熟,是目前使用最廣的技術(shù)。但由于α-Si材料的禁帶寬度只有1.7eV,在可見(jiàn)光波段透過(guò)率較低,所以α-Si TFT的開(kāi)口率未能達(dá)到100％,這阻礙了顯示器件性能的進(jìn)一步提高。
　　 氧化鋅是一種Ⅱ-Ⅵ族直接、寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料,具有優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)特性。常溫下氧化

2、鋅禁帶寬度為3.37eV,在可見(jiàn)光波段內(nèi)具有高透過(guò)率,這使得氧化鋅成為制備透明電子器件的重要候選材料之一。用氧化鋅(ZnO)做有源層制備高性能的透明薄膜晶體管(ZnO TFT),并用它來(lái)做像素開(kāi)關(guān)元件應(yīng)用于有源矩陣,這可能使有源矩陣顯示器性能得到較大提高。
　　 本文第一章首先介紹了ZnO材料的研究現(xiàn)狀,然后介紹了磁控濺射的發(fā)展歷史和背景。接下來(lái)簡(jiǎn)述了磁控濺射生長(zhǎng)ZnO的背景。最后提出本文研究的內(nèi)容。
　　 第二章首先介

3、紹了本論文所使用的磁控濺射儀器,然后分析了在不同氣氛下利用磁控濺射方法生長(zhǎng)ZnO薄膜的區(qū)別。最后詳細(xì)介紹了磁控濺射法制備ZnO薄膜的詳細(xì)參數(shù)與工藝步驟。
　　 第三章對(duì)一系列不同氣氛條件下生長(zhǎng)的ZnO薄膜進(jìn)行多項(xiàng)物理特性表征與分析。通過(guò)原子力顯微鏡(AFM)觀察薄膜形貌,發(fā)現(xiàn)較低溫度下生長(zhǎng)的ZnO薄膜表面較高溫樣品表面平滑,Ar氣氛下生長(zhǎng)的ZnO薄膜表面比摻O2和純O2氣氛下生長(zhǎng)的ZnO薄膜表面粗糙度大,而摻NH3后ZnO薄膜表

4、面粗糙度比未摻NH3樣品要大得多。XRD分析顯示,較低溫度下生長(zhǎng)的ZnO薄膜半高寬比高溫生長(zhǎng)樣品更小,純Ar氣氛下生長(zhǎng)的ZnO薄膜晶體質(zhì)量最差,將功率從180W降到120W以后,c-軸取向性明顯增強(qiáng)。摻O2后的ZnO薄膜晶體質(zhì)量進(jìn)一步得到提高。對(duì)樣品進(jìn)行PL譜分析,純Ar氣氛下生長(zhǎng)的樣品不僅峰位紅移到了410nm左右,而且在550nm以后有一些起伏,而摻O2后的樣品峰位回到了404nm左右,550nm以后的起伏基本消除,但是過(guò)高O2分壓

5、對(duì)晶體質(zhì)量進(jìn)一步改善并不明顯,反而可能出現(xiàn)更多缺陷。摻NH3以后的樣品峰值比純Ar氣氛濺射的樣品更強(qiáng),但是峰位隨著摻NH3含量的增加而紅移。用純O2濺射的樣品強(qiáng)度比未摻O2樣品強(qiáng)度大得多,且峰寬較窄,結(jié)晶質(zhì)量有所提高。而純NH3氣氛下生長(zhǎng)的樣品與O2氣氛下生長(zhǎng)的樣品相比,峰位相對(duì)紅移,而強(qiáng)度也有所下降,說(shuō)明只摻NH3后可能在近帶邊形成了雜質(zhì)能帶,而氧空位、鋅填隙等缺陷沒(méi)有因?yàn)閾絅H3得到完全的改善而使得發(fā)光峰位紅移。電阻率的測(cè)試結(jié)果表明

6、純Ar氣氛下在襯底溫度較低和較高的情況下薄膜電阻率較低,而摻氧后薄膜電阻率較高,在NH3氣氛下生長(zhǎng)ZnO的實(shí)驗(yàn)與摻氧樣品相比成功達(dá)到了降低氧化鋅電阻率的目的,而且在低功率,低溫條件下生長(zhǎng)效果更好。還利用塞貝克效應(yīng)測(cè)量了ZnO薄膜的載流子濃度,發(fā)現(xiàn)大部分樣品的載流子濃度是1018cm-3次數(shù)量級(jí),說(shuō)明生長(zhǎng)的ZnO薄膜較為穩(wěn)定,具有可重復(fù)性。
　　 本文第四章首先分析TFT的工作原理。由于TFT屬于場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的一種

7、,因此首先簡(jiǎn)述了MOSFET的工作原理,以及直流輸出特性的推導(dǎo)與分析。然后介紹TFT常用的結(jié)構(gòu):頂柵式與底柵式。以頂柵式為例,通過(guò)兩種不同的模型解釋TFT的工作原理。接下來(lái)分析了TFT幾個(gè)主要的工作參數(shù):源漏電流,柵擊穿,跨導(dǎo),截止頻率。最后簡(jiǎn)述了ZnO薄膜晶體管(ZnOTFT)的研究進(jìn)展和現(xiàn)狀。
　　 在第五章中,首先詳細(xì)介紹了ZnO TFT的制作工藝流程,然后對(duì)制備的TFT器件進(jìn)行電流-電壓特性測(cè)試。本文嘗試制備了以ITO做