肖鹏[1]2016年在《氧化物薄膜晶体管及其有源材料的研究》文中研究说明薄膜晶体管(TFT)是液晶显示(LCD)和有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示背板的核心部件;其中基于金属氧化物半导体有源层的TFT由于具有迁移率较高、成本低、工艺温度较低、均匀性好、对可见光透明以及与a-Si TFT产线兼容等优点而被认为是适合驱动AMOLED的TFT技术之一。随着平板显示向超高分辨率、超大尺寸以及柔性等方向发展,其对金属氧化物TFT(MO-TFT)的性能及工艺温度提出了更高的要求。因此,需要进一步提高MO-TFT的迁移率(>20 cm2V-1s-1)和稳定性以满足超高分辨率、超大尺寸显示的驱动需求;另一方面,还需要进一步降低制备MO-TFT的工艺温度以匹配柔性衬底。本论文首先从器件着手,首次提出了一种利用溶剂对MO-TFT背沟道进行修饰从而提高器件性能的方法。由于氧化物表面通常对大气中的水、氧分子比较敏感,水、氧分子在氧化物背沟道的吸附/解吸附效应会严重影响MO-TFT的性能;利用溶剂对InGaZn O(IGZO)TFT背沟道进行修饰后,背沟道表面能显着降低,这极大地抑制了背沟道表面对水、氧的吸附/解吸附效应,有效减少了背沟道表面的氧杂质,器件表现出了更高的迁移率和更好的稳定性。在上述溶剂处理的基础上,为了进一步保护氧化物背沟道免受大气的影响,通常采取在其上加入无机钝化层以提高器件稳定性,但无机钝化层的制备通常会对有源层造成等离子伤害或氢掺杂,这严重恶化了器件性能。针对这一问题,基于前一部分工作的启发,我们利用有机分子在氧化物背沟道表面形成一层致密有序地自组装分子层,成功实现了高性能IGZO-TFT的制备,器件迁移率达26.6 cm2V-1s-1,阈值电压为0 V,磁滞回线0.06 V,在持续2.5 h的偏压(VG=10 V)下,阈值电压仅漂移0.14 V。该方法避免了钝化层制备对有源层的损伤;而且由于无需真空设备,也极大地降低了制造成本。此外,我们进一步研究了自组装分子所含烷基链长短对器件修饰效果的影响并探索了其相关机理,这为今后选择合适的自组装分子制备更高性能的MO-TFT提供了理论指导。前面的自组装分子层修饰氧化物的背沟道虽然可以大幅提高器件的性能,但是修饰后氧化物半导体层依然对酸敏感,在刻蚀源、漏电极时很容易被刻蚀液腐蚀,因此在实际应用中仍然需要增加刻蚀阻挡层(ESL)以保护沟道不被刻蚀。为实现无需ESL的背沟道刻蚀型TFT(BCE TFT),我们采用Au纳米粒子修饰氧化物半导体表面。在氧化物半导体薄膜上引入Au纳米粒子后,薄膜的抗刻蚀性显着增强,有效减少了图形化源、漏电极过程中刻蚀药液对有源层的损伤。利用该方法我们成功制备了BCE结构的IGZOTFT,偏光显微镜结果证明有源层并无明显损伤,器件也表现出了较好的电学性能。此种方法不受限于氧化物半导体材料的种类,无需额外的图形化步骤,为低成本制备MOTFT阵列开辟了一种新的途径。前面部分主要从器件角度提高MO-TFT的性能,虽然在稳定性方面取得了一定的效果,但在迁移率的进一步提高方面遇到了困难,需要设计和开发新的氧化物半导体材料才能突破迁移率的限制。因此,我们通过理论分析和计算验证,成功研制出了高迁移率Zr-In-O材料体系,并利用该材料作为有源层制备了TFT,器件迁移率高达38.8 cm2V-1s-1,电流开关比为3×108,亚阈陡度为0.37 V/decade,在VG=±20 V持续1 h阈值电压漂移分别为1.03 V和2.13 V,而且整个器件的最高工艺温度为150 oC,表明该材料在柔性TFT中有较大的应用潜力;为了进一步提高器件稳定性,我们采用了Zr InO/IGZO双层有源层结构,所制备的器件迁移率达36.2 cm2V-1s-1,电流开关比为3.5×109,亚阈陡度为0.09 V/decade,此外,器件表现了优异的偏压稳定性,在持续1 h的VG=±20 V的偏压下的阈值电压漂移分别只有0.2 V和0.97 V。由于前一部分Zr InO-TFT的最高工艺温度只有150 oC,我们考虑进一步将其制作在塑料衬底上以实现柔性Zr InO-TFT。但塑料衬底通常表面粗糙、水氧阻隔能力也较差,针对这一问题,我们采用无机-有机-无机(SiNx/Photoresist/SiNx)相结合制备了多层阻隔结构的缓冲层,成功在PEN衬底上实现了柔性ZrInO-TFT的制备,所制备的柔性TFT表现了良好的电学性能,其饱和迁移率达22.6 cm2V-1s-1,亚阈陡度为0.39 V/decade,电流开关比2.51×107,最小可弯曲的曲率半径为20 mm,展示了其在下一代柔性AMOLED显示的巨大应用前景。
刘文江[2]2014年在《低功耗AMOLED像素电路与驱动方法的研究》文中研究表明有源矩阵有机发光二极管(active-matrix OLED,AMOLED)显示具有对比度高、响应超度快,色彩展现逼真、易于薄形化和柔性化等优势,已逐渐进入智能手机、大屏幕电视等应用市场。如何降低AMOLED显示的功耗成为AMOLED显示技术进一步发展需要研究的一个重要课题。目前,针对低功耗AMOLED显示的研究主要在高效率、低电压的OLED器件方面,以及一些行为级低功耗策略。虽然也有一些电路层和驱动方法的研究,但缺乏系统性。而且,AMOLED的像素电路与驱动方法需要补偿薄膜晶体管(thin-film transistor,TFT)特性变化、面板IR-drop以及OLED退化等问题。针对此,本论文着重在在像素电路和驱动方法层面系统研究相关的低功耗策略,以能在不影响整体显示效果的情况下,降低功耗,并且能够更好的结合高效OLED器件技术和行为级的低功耗策略。本文的主要研究内容和创新点如下:第一、系统分析了AMOLED显示面板的功耗组成,分为静态功耗和动态功耗两部分,为各种低功耗技术的研究提供了理论依据。第二、提出了一种基于外部驱动电路反馈补偿的,由3个TFT和1个电容(3T-1C)组成的AMOLED像素电路。仿真结果表明该电路能够有效地补偿TFT电学特性变化、翘曲效应(kink effect)等非理想特性,以及面板的IR-drop。该像素电路结构简单,含有的TFT数目少,将有利于提高大面积生产的良率以及显示屏的分辨率。第叁、基于所提出的3T-1C像素电路,提出了将驱动TFT工作于非饱和区,降低压降以所需的供电电压及直流静态功耗的方法。由于该像素电路通过外部驱动集成电路反馈补偿的方式,使OLED两端的电压不受驱动TFT电学性能变化的影响。因此,驱动TFT上的源漏电压可以偏置到饱和电压以下,而不影响OLED的驱动电流,从而不影响显示效果。最后,本论文还提出了一维动态电压调整(dynamic voltage scaling,DVS)技术,根据显示内容分区域的调整供电电压,从而降低直流功耗。该DVS技术进一步结合驱动TFT工作于非饱和区的3T-1C像素电路的低功耗方案,能够更为显着的降低AMOLED显示功耗。
李彬[3]2016年在《氧化铟基薄膜晶体管的制备与性能研究》文中认为薄膜晶体管(thin film transistor,TFT)是平板显示技术的核心部件。随着科技的发展,平板显示技术正朝着高容量、高分辨率、高驱动、3D和大尺寸的方向发展。目前,工业中常用的非晶硅薄膜晶体管,其迁移率不足Icm2/Vs;多晶硅薄膜晶体管的均匀性又差,并且硅基薄膜在可见光范围内透光性差,这些都制约着薄膜晶体管的发展。氧化物薄膜晶体管由于具有较高的迁移率、开口率大等优点,已经引起研究人员的广泛关注。为了满足现代显示技术与3D显示的需求,如何进一步地提高薄膜晶体管的迁移率,是目前需要解决的热点问题。针对这一问题,本文主要制备了In2O3:Li TF、In0.8Zn0.2O:Li TFT和In0.67Zn0.33O:Li TFT,并通过优化实验条件,得到了高性能的氧化铟基TFT器件。主要研究工作如下：(1)用磁控溅射制备了底栅极结构的In203：Li TFT。研究了退火温度、有源层厚度和氧气流量对TFT器件性能的影响。实验结果表明,当有源层厚度为30nm,退火温度为200℃,氧气流量为2sccm时,TFT器件的性能最佳,其迁移率为14.6cm2/Vs,开关比为9.0×106,阈值电压为5.2V。(2)用磁控溅射在SiO2/Si衬底上制备了In0.8Zn0.2O:Li TFT.研究了有源层厚度、氩气流量、退火温度和退火气氛对TFT器件性能的影响,并成功制备出双有源层结构的TFT器件。实验结果表明,当有源层厚度为30nm,氩气流量为30sccm,退火温度为950℃,在氧气气氛退火时,TFT器件的性能最佳,其迁移率达到56.1cm2/Vs,开关比为5.1×106,阈值电压为2.0V；与单层结构相比,双有源层结构的TFT器件性能有所提升,其迁移率为62.1cm2/Vs.(3)用磁控溅射在石英衬底上沉积了In0.67Zri0.33O:Li薄膜,研究了退火温度对In0.67Zn0.33O:Li薄膜的影响。以SiO2/Si为衬底制备了In0.67Zn0.33O:Li TFT,研究了氧气流量、溅射功率、有源层厚度和退火温度对TFT器件性能的影响,并且探讨了TFT器件的稳定性。实验结果表明,当薄膜生长不充氧,溅射功率为100W,有源层厚度为30nnm,退火温度为950℃时,TFT器件的性能最佳,其迁移率高达80.4cm2/V s,开关比为4.0×106,阈值电压为4.1V。该TFT器件的性能在文献报道中属于最佳性能之一。对于未采取任何保护措施的TFT器件,在空气中暴露90天后,其迁移率略下降到73.1cm2N/Vs,表明该TFT器件具有良好的稳定性。
徐飘荣[4]2016年在《非晶铟镓锌氧薄膜晶体管在栅压应力下稳定性模型的研究》文中指出非晶铟镓锌氧薄膜晶体管(a-IGZO TFT)不仅拥有非晶硅TFT的均匀性和多晶硅TFT的高迁移率等优点,而且还具备高透光率和低制备温度。这些特点使得a-IGZO TFT广泛应用于有源矩阵液晶显示、有源矩阵有机发光二极管显示、透明显示和柔性显示等领域。同时,由于低成本优势,a-IGZO TFT在射频识别、可穿戴电子、非挥发记忆存储器件以及传感器等方面的新型应用也越来越受到人们重视。a-IGZO薄膜中的陷阱能够捕获栅压诱导的电荷,影响a-IGZO TFT的电学性能。本文基于线性区沟道迁移率与沟道内的自由电荷与总电荷的比值成正比关系,分离出自由电子浓度和陷阱态浓度。考虑沟道表面势与栅压的非均匀性关系,通过对沟道层与栅绝缘层界面运用泊松方程及高斯定理,得到自由电子浓度以及陷阱态浓度与表面势的关系,最后通过陷阱态浓度对表面势求导得到线性区对应的态密度。研究了a-IGZO TFT器件在正向栅压应力(PGBS,Positive gate bias stress)下阈值电压(Vth)发生偏移的物理过程。通过TCAD软件模拟了缺陷产生对TFT器件电学稳定性的影响。结果表明,a-IGZO薄膜中产生的浅陷阱态不仅影响TFT器件阈值电压,同时还影响器件的迁移率和亚阈值摆幅;而a-IGZO薄膜中的深陷阱态导致TFT器件的阈值电压向正栅压方向平移。针对a-IGZO沟道内的电子在PGBS作用下隧穿到栅绝缘层,其中一部分电子又发生反向隧穿的物理过程,建立了电子在栅绝缘层内的动力学方程。当栅压较小或应力施加时间较短时,电子隧穿的长度较短,栅绝缘层内能带弯曲程度较小,栅绝缘层中缺陷态能级捕获的电子大部分位于费米能级以上,因此电子很容易发生反向隧穿。通过分析栅压大小及应力施加时间长短与电子隧穿长度之间的关系,确定了隧穿到栅绝缘层中的电子分布,建立了a-IGZO TFT器件阈值电压偏移的模型。研究了a-IGZO TFT器件在负向栅压应力(NGBS,negative gate bias stress)下阈值电压偏移的物理过程。对于有源层氧空位较多的a-IGZO TFT,器件在NGBS下阈值电压负向偏移主要是由于a-IGZO薄膜内类施主缺陷态上的电子发射到导带。随着NGBS施加时间的增大,a-IGZO TFT有源层类施主陷阱能级上单位时间发射的电子逐渐减少,然而随着应力时间的累积,其发射电子的总数不断增加,阈值电压负向偏移的幅度也越来越大。基于上述物理过程,推导出一个器件模型,较好的反映了在NGBS下a-IGZO TFT阈值电压Vth的变化规律。
秦剑[5]2016年在《基于双栅结构的非晶硅薄膜晶体管建模及物理效应研究》文中研究指明高性能氢化非晶硅薄膜晶体管(a-Si:H TFT)广泛地应用在以AMOLED为代表的大面积平板显示领域,是相关产业的底层共性技术与核心技术。伴随大尺寸、3D柔性显示、虚拟现实等技术的快速发展,其对TFT电学性能方面的要求也随之越来越高。双栅结构的a-Si:H TFT近年来受到业界的广泛关注,其体现在场效应迁移率更高、更低的泄漏电流、低温工艺环境下均匀的沉积率,并且与现有TFT生产线兼容等方面的显着优势,正成为目前业界的新焦点。系统合理地构建反应载流子输运机理同时适用于电路仿真模块的器件电学模型,对促进大面积平板显示及相关集成电路产业发展具有重要的现实意义。本文围绕建立适用于SPICE电路仿真器的统一的(单栅及双栅结构)a-Si:H TFT器件模型,开展并完成了以下研究工作:第一,a-Si:H带隙中存在的随能级分布复杂的陷阱态密度对a-Si:H TFT电学特性有重要的影响,它使器件呈现出更复杂的非线性电学特性。针对单栅a-Si:H TFT,本文首先给出了一种解析求解a-Si:H薄膜中陷落电荷的计算方法。接着,应用高斯定理,建立了栅压和表面势间的隐含方程,通过荷电分析及数学变换,综合考虑电场在有源层厚度中的连续变化特性,推导并建立了a-Si:H TFT正偏条件下亚阈区、开启区(强积累)漏电流模型,定量分析了不同偏置条件下载流子扩散及漂移运动对a-Si:H TFT电学特性的影响。第二,从陷阱到带发射机制和Poole-Frenkel效应的影响出发,本文对不同场强影响下的载流子产生及输运机理做了详细分析。考虑Dirac与Coulombic陷的影响,提出了考虑连续指数陷阱态密度分布下等效电场的解析计算方法,推导得到了反向偏置下a-Si:H TFT半经验泄漏电流模型,对相关物理效应的影响进行了定量计算。综合第一部分结论得到了单栅a-Si:TFT完整的漏电流模型。模型与不同工艺环境、不同沟长比的转移及输出特性的实验结果进行了比较,验证了模型的有效性。第叁,针对对称型本征沟道的非晶硅双栅薄膜晶体管(sDG a-Si:H TFT),考虑a-Si:H带隙中央深能Gaussian分布特性,运用高斯定理和一维泊松方程,建立栅压与表面势及中点电势间的隐含关联方程组。采用分区方法首次给出了一种快速逼近表面势和中点电势的求解策略。通过与数值计算结果的比较,验证了算法的准确性。对不同计算方法在计算效能方面进行了比较,验证了算法的高效性。第四,通过对不同载流子荷电浓度的量化分析,考虑由中点电势带来的耦合影响,在第叁部分基础上,推导了对称栅压作用下sDG a-Si:H TFT解析电流模型,通过分别与二维模拟软件及相关实验测量结果获得的I‐V特性比较,证明了所提出的紧致模型的普适性及有效性。特别地,针对反迭栅型sDG a-Si:H TFT正偏条件下形成的n~+-i-n~+器件结构,推导了电流密度及沟道电势在器件栅-源交迭区域内分布的解析表达式。考虑载流子空间限制电流SCLC的输运机理,推导了对应的隐含关联方程组,建立了n~+-i-n~+结构下本征沟道电流与寄生非线性电流关联的准二维模型,为进一步器件工艺制备及结构优化提供了理论依据第五,在实际应用环境下,无论器件的结构还是偏置条件中的对称性均被打破。针对非对称双栅结构的非晶硅薄膜晶体管,运用高斯定理,从一维泊松方程的求解开始,建立了前、背栅压独立偏置条件下统一的沟道电势模型,研究了不同有源层厚度中表面势及背电势随栅压变化的一般规律。利用数学变换及Lambert W函数给出了一种近似求解模型中关联电势方程组的有效方法。结果表明,给出的近似解与精准数值结果十分接近,大幅降低了模型自洽解的求解时间,证明了所提方法的有效性,为建立与器件工艺紧密关联的紧凑模型提供了重要的物理基础。综上,本文从a-Si:H TFT器件结构及不同偏置下载流子输运机理出发,建立了覆盖全工作区域的单栅及双栅器件电学模型,在物理性及运算效率方面做出了新的平衡。综合采用数值计算,二维器件模拟和实验数据提取等方法,对模型的完整性,普适性和准确性进行了充分的论证,为模型嵌入基于SPICE的电路仿真模块奠定了基础。
罗浩[6]2016年在《一氧化锡薄膜晶体管与类CMOS电子器件研究》文中研究表明传统的硅基半导体材料已难以满足新型大面积透明、柔性以及超精细显示技术的发展要求。与硅基材料相比,氧化物半导体具有高透过率、高载流子迁移率、优异的机械性能以及低成本制备等优点,是用于新型显示驱动薄膜晶体管(TFT)的理想材料。然而,多数高性能氧化物半导体呈现n-type输运特性,与n-type氧化物性能相匹配的p-type氧化物比较稀缺。这使得氧化物半导体的应用局限于单极型器件,而难以在互补型器件、电路等应用领域发挥其作用。因此,开发高性能p-type或双极性氧化物半导体是当前氧化物电子学领域的关键。鉴于此,本论文致力于p-type一氧化锡(SnO)的研究。本文采用磁控溅射制备SnO薄膜,并系统的探究了溅射功率、O_2/(O_2+Ar)流量比(氧分压)、工作气压、原位施加衬底偏压以及原位衬底加温对SnO薄膜的微结构、光学以及电学性能的影响。在薄膜制备基础上,本论文构筑了底栅p-type SnO薄膜晶体管,系统的研究了不同沟道层制备条件对SnO TFT的性能影响,并通过优化后退火处理工艺进一步提高了p-type SnO TFT的性能。基于p-type SnO TFT研究,通过SnO TFT背沟道表面修饰方法,本论文实现了SnO TFT的工作模式由单极p-channel到双极性工作模式的转变,并对TFT的工作模式转变机理进行了深入研究。基于双极性SnO TFT研究,本轮文构筑了类互补型逻辑反相器并获得高电压增益(>100)兼宽噪声容限。主要结论如下:1、SnO薄膜性能1)低氧分压沉积的SnO薄膜含有较多金属Sn,随着氧分压增加,金属Sn相逐渐变弱,SnO相逐渐增强,直至生成的薄膜为单相SnO薄膜。高氧分压下,基膜的部分SnO被氧化成SnO_2,使得SnO相变弱且混合相薄膜呈现非晶态结构。正是由于薄膜的相组成转变,薄膜的光学带隙随着氧分压增加而增大,而薄膜的折射率随着氧分压增加而下降。纯相SnO薄膜的光学带隙值约为2.6 e V,折射率值约为2.7(波长550 nm)。2)对于金属Sn占主导的Sn-SnO混合相薄膜(n-type输运区),其电子浓度随着SnO含量增加(氧分压上升)而升高,电阻率随着SnO含量增加而下降,载流子输运呈现简并传导。这可能是由于SnO在富Sn的环境下会产生施主类缺陷态,导致薄膜的电子浓度上升。对于SnO占主导的Sn-SnO混合相薄膜(p-type输运区),其空穴浓度随着Sn含量减少而逐渐下降,电阻率随着Sn含量减少而逐渐增加。这可能是因为金属Sn相关的结构缺陷在SnO薄膜中产生受主类缺陷态,导致薄膜的空穴浓度上升。对于SnO占主导的SnO-SnO_2混合相薄膜(p-type输运区),其空穴浓度随着SnO_2含量增加(氧分压上升)而下降,电阻率随着SnO_2含量增加而增加。这是因为SnO的部分空穴载流子被SnO_2的施主缺陷所补偿,导致空穴浓度下降。当SnO_2的施主缺陷近乎完全补偿掉SnO的空穴时,薄膜呈现高阻态,而当SnO_2的施主缺陷浓度超过SnO的空穴浓度时,薄膜呈现n-type传导特性。由于金属Sn和Sn4+相关的结构缺陷对空穴具有较强的散射作用,因此Sn-SnO混合相薄膜、SnO-SnO_2混合相薄膜的空穴霍尔迁移率较单相SnO薄膜低。射频功率40 W沉积的单相SnO薄膜具有较高的空穴迁移率5.6 cm2V-1s-1,空穴载流子浓度为8.9×1017-6.0×1018 cm-3。3)高工作气压沉积的SnO薄膜含有较多SnO_2,导致薄膜的光学带隙随着工作气压增加而增大,折射率随着工作气压增加而下降。正是由于SnO_2的形成,薄膜的空穴浓度和迁移率随着工作气压增加而下降,而电阻率随着工作气压增加而增大。4)原位施加衬底偏压会向SnO薄膜引入过多的氧,导致部分SnO被氧化成SnO_2,且其含量随着偏压功率增大而增加。因此,薄膜的光学带隙随着偏压功率增加而增大,折射率随着偏压功率增加而减小。此外,薄膜的空穴浓度和空穴迁移率随着偏压功率增加而下降,而电阻率随着偏压功率增加而增大。5)原位施加衬底温度有利于调节薄膜的织构特性,制备出结晶质量较高的SnO薄膜。但原位衬底加温制备的SnO薄膜的空穴浓度较高(1020 cm-3),不适合用作TFT沟道层。2、单极p-type SnO TFT1)直流溅射制备的SnO薄膜的霍尔迁移率比较低,因此对应的p-type SnO TFT的场效应迁移率比较低(0.37 cm2V-1s-1),并且器件难以关断,电流开关比较低(~10)。因此直流溅射沉积的SnO薄膜不利于制备高性能TFT。2)低射频溅射功率(20 W)制备的SnO TFT的场效应迁移率(0.51 cm2V-1s-1)和电流开关比(~10)均较低。高射频溅射功率(60 W)制备的SnO TFT具有较高的场效应迁移率(1.8 cm2V-1s-1)。然而,由于SnO沟道层本征空穴浓度过高,器件的电流开关比较低(~60)。射频40 W制备的SnO TFT具有最佳的场效应迁移率和电流开关比,分别为2.24 cm2V-1s-1和2.4×103。此外,由于Sn-SnO、SnO-SnO_2混合相薄膜具有大量的结构缺陷,因此以混合相薄膜作为沟道层的TFT的电流开关比和场效应迁移率较低,而单相SnO TFT具有较高的场效应迁移率和电流开关比。3)沟道层厚度较薄的SnO TFT具有较高的场效应迁移率和电流开关比。然而,沟道层厚度过薄时,薄膜因严重偏离SnO化学计量比而呈现高阻态,因此p-type SnO TFT最优沟道层厚度为15-20 nm。4)延长SnO TFT的退火持续时间可降低沟道层的空穴浓度,提高器件的电流开关比。然而,长时间退火将导致栅介质-半导体界面质量退化,增强空穴载流子散射,导致器件的场效应迁移率下降。退火时间过短,SnO沟道层结晶质量较差,原子空位、间隙等结构缺陷较多,器件的场效应迁移率和电流开关比均较低。SnO TFT的最优退火时间为2小时,器件的场效应迁移和电流开关比分别可达2.44 cm2V-1s-1和6.0×103。5)通过改变源漏金属电极功函数和源漏电极与SnO之间插入超薄介质层均难以调节p-type SnO TFT的开启电压,表明SnO体或表面可能存在费米能级钉扎现象,导致金属-SnO层之间的势垒高度不依赖于源漏金属功函数。3、双极性SnO TFT1)器件的双极性工作模式可通过SnO TFT背沟道表面的介质层(比如Al_2O_3)钝化技术来实现,且制程工艺对SnO TFT的双极性输运有极其重要的影响:(i)未经钝化而进行退火处理的TFT(AWP)呈现单极p-channel输运;(ii)TFT经退火处理后采用介质层钝化(ABP)呈现较弱的n-channel反型行为;(iii)TFT经介质层钝化后进行退火处理(AAP)展现出优异的双极性工作性能。单相SnO TFT具有最佳的双极性输运性能,而Sn-SnO、SnO-SnO_2混合相沟道层TFT的双极性工作的对称性较差。最佳的双极性SnO TFT的n-和p-channel的场效应迁移率分别为1.64 cm2V-1s-1和0.65 cm2V-1s-1,n-和p-channel的电流开关比分别为1700和560,开启电压为8.5 V。2)根据能带图分析和器件模拟结果,AAP器件优异的双极性输运特性源于其合适的表面钝化修饰工艺对SnO表面缺陷态形成的有效抑制,而非钝化层对外界环境氧或水蒸汽等气氛的屏蔽作用。Au-Al_2O_3-SnO的电容-电压测试分析表明-SnO的界面正电荷能辅助耗尽沟道层空穴载流子,从而更加利于器件的n-channel反型和双极性工作。综上,SnO TFT背沟道表面的Al_2O_3钝化层具有叁种功能:(i)钝化层能屏蔽外界环境气氛与SnO沟道层之间产生的电荷交换或化学反应,提高器件的稳定性;(ii)钝化层能有效的抑制SnO表面缺陷态的形成,降低SnO带隙中的次能隙DOS,使得费米能级能较自由的由价带边移向导带边,实现n-channel反型和双极性工作;(iii)Al_2O_3-SnO界面的正电荷能辅助耗尽沟道层的空穴载流子,降低TFT的开启电压,进一步增强反型n-channel和双极性工作性能。此外,AAP薄膜较AWP、ABP薄膜具有更低的空穴浓度,有利于沟道层载流子的耗尽和TFT的n-channel反型以及双极性工作。3)对于双极性SnO TFT,较低功函数源漏接触(Ni-SnO接触)利于电子注入,较高功函数源漏接触(Ti-SnO)利于空穴注入。金属Mg具有较低的功函数,但因其易被氧化而在Mg-SnO界面形成较高的势垒层使得载流子注入效率下降。在Al_2O_3、Ta_2O_5、Si O_2、Hf O_2等钝化层材料之中,以Al_2O_3作为钝化层的器件具有最佳的双极性输运性能,而以Ta_2O_5、Si O_2、Hf O_2作为钝化层的器件的开启电压均较高,n-和p-channel的场效应迁移率和电流开关比均较低。4)双极性SnO TFT在负栅极偏压应力下具有良好的电学稳定性,而器件的转移曲线在正栅极偏压应力下展示出正向、平行的移动趋势,且转移曲线形状保持不变。SnO TFT在正栅极偏压应力下的性能漂移源于SnO沟道层、SnO-Si O_2(栅介质层)界面的多种陷阱对电子的捕获过程。在不同的正栅极偏压幅值和温度下,SnO TFT的开启电压变化量随应力时间的变化关系均符合扩展指数模型。通过扩展指数模型拟合提取的驰豫时间和平均热激活能分别为1.6×104 s和0.43 eV。4、类互补型逻辑反相器1)基于双极性SnO TFT研究,本论文构筑了双极性逻辑反相器。由于SnO TFT具有平衡的电子和空穴注入特性,双极性SnO反相器展示出高电压增益(>100)兼宽噪声容限(15.3 V)。反相器的输出信号可与较低频率(3.8 Hz)的输入信号波形保持同步,但难以快速的反馈于较高频率(16.6 Hz)的输入信号,这源于双极性SnO TFT较低的场效应迁移率。由于低氧分压沉积的沟道层为Sn-SnO混合相,TFT双极性工作的对称性较差,导致反相器的电压增益、转变阈值电压、噪声容限以及电压转变宽度等特征参数随着氧分压下降而逐渐退化。2)双极性SnO反相器在空气环境下展现出优异的稳定性。器件在空气环境下暴露10个月后,其电压增益、转变阈值电压、噪声容限以及电压转变宽度等特征参数依然保持稳定。这表明TFT背沟道表面的钝化层能有效的屏蔽外界环境气氛与SnO沟道层之间产生的电荷交换或化学反应,进一步增强双极性SnO TFT和反相器在空气环境下的稳定性。
刘向[7]2017年在《基于量子点/低维纳米碳材料的光调制薄膜晶体管器件的研究》文中认为光电探测已经被广泛应用于遥感、制导、红外热成像、光谱测量和工业自动控制等领域,对推动经济发展和维护国家安全具有重要的战略意义。目前商用化的光电探测器大都采用分子束外延或者金属有机化合物气相沉积等方法生长光电转换靶面,同时还需要采用大量的半导体微加工工艺制备读出电路。随着信息技术的发展,人们对增大光电探测器的探测阵列尺寸以及基于柔性衬底的探测器提出了迫切需求。但是常规的光电探测器较高的制备温度和昂贵的制备工艺严重制约了探测阵列的有效扩展以及在塑料或者聚合物等柔性衬底上制备光电探测单元。由于很多纳米光电转换材料具有效率高、响应速度快等特点,因此基于纳米材料和纳米结构的光电探测器件已经成为目前国内外的研究热点。另外与传统的光电二极管结构相比较,光调制晶体管具有电流自放大功能,可以获得更好地光电响应特性。针对常规光电探测器件制备温度高和半导体微加工工艺复杂的关键问题,本论文探索采用溶液法合成半导体量子点以及低维纳米碳材料并在室温环境下制备的光电探测单元;将光电探测单元与高性能薄膜晶体管(ThinfilmTransistor,TFT)有机结合,并作为光电探测器的基本探测单元,同时将TFT构成光电探测信号的读出电路。本论文的研究工作为发展柔性、大面积大尺寸探测阵列的光电探测器探索了新的技术道路。本论文在量子点与低维纳米碳材料的制备、光调制TFT的器件物理模型,以及基于TFT的光电探测单元设计和制备等方面开展了创新性研究。本文设计完成的研究工作与取得的科学成果如下:1.将硒化镉(CdSe)量子点引入常规的铟镓氧化锌(IndiumGadiumZinc oxide,IGZO)TFT,提高光电转换性能,初步设计和验证光调制TFT。研究结果表明在微光条件下(450nm,40μW/cm~2)掺杂量子点后的复合薄膜光调制TFT比单纯的IGZO TFT光电响应度放大了近1000倍,同时将探测的波长范围扩展了一倍。从研究结果也发现,由于量子点产生光生载流子向半导体沟道注入速率低,因此在TFT中直接引入半导体量子点,其构成的光调制TFT探测速度较慢。该成果发表于Applied Physics Letters,104(11),p.113501,2014。2.采用高电子迁移率的低维纳米碳材料,克服量子点引入导致的探测速度较慢的缺点。为了克服直接将量子点应用于光电探测器时,电子迁移率低、探测速度慢等缺点,本论文提出引入以石墨烯为代表的高电子迁移率低维纳米碳材料。其优异的电子输运性能与量子点材料灵活可调的光电特性形成协同效应。本文以肖特基型光电二极管为研究对象,通过实验研究发现:(1).量子点的光激发载流子能够在外偏压条件下高效地转移至石墨烯,受益于石墨烯的高电子迁移率,肖特基光电二极管的光电响应速度得以较大提高。(2).由于石墨烯的透光率高达98%以上,所以石墨烯的引入没有造成入射光的明显衰减。反而由于石墨烯优异的电子输运特性,整个器件的光电转换效率有所提高。增强了器件中载流子的迁移效率以及器件的光电转换效率。(3).论文采用旋涂和磁控溅射等方法,在室温环境下沉积量子点光电转换材料、氧化还原石墨烯分散液(Reduced Graphene Oxide,RGO)和单层石墨烯电极等低维碳纳米材料,在塑料衬底上制备了肖特基光电二极管。该成果发表于 ACS applied material interface,7(4),p.2452-58,2015。3.考虑量子点光电转换单元的适配,设计具有优异电学性能的石墨烯纳米网格(Graphene Nanomesh,GNM)晶体管,为研发高性能光调制TFT奠定电路器件基础。基于低维纳米碳材料的晶体管器件是适配量子点材料,研发制备高性能光调制晶体管重要的电路器件基础。通常,石墨烯晶体管由于零带隙的能带结构,造成极小的开关比,较大的反向电流等缺陷。本文设计了新型GNM薄膜,利用纳米网格的量子限域效应有效打开石墨烯的带隙,加工制备出GNM薄膜晶体管(GNM TFT)器件性能测试结果表明,该GNM TFT器件在保证电子迁移率(约400 cm~2V~(-1)S~(-1))的前提下,将开关比提高到30,与常规石墨烯晶体管相比较,开关比提高20倍以上。此外,晶体管的反向关态电流降低至100 nA,使得GNM TFT初步具备了应用于光调制晶体管的能力。4.利用表面改性的方法,设计量子点与GNM之间的电荷传输通道,制备出高性能量子点/GNM光调制TFT。前述研究结果表明,量子点与半导体沟道间的载流子转移效率与速率是影响光调制TFT器件光电转换效率,光电响应速度等性能的重要因素。因此本论文建立了基于不同电荷传输结构的载流子传输模型,研究了量子点与GNM界面的载流子传输的物理机制,设计并构建量子点与GNM之间的电荷传输通道,有效提高量子点/GNM光调制TFT器件的性能。本论文制备了光调制TFT原型器件,光电转换测试结果证明了量子点中的光激发载流子能够在栅极电压产生的内嵌电场作用下发生隧穿,高效传输至GNM沟道使量子点/GNM光调制TFT的光电流开关比达到了 9.1,与已报道的其他量子点/石墨烯光调制晶体管器件相比提高近10倍。在此基础上,该器件仍然保证了较高的光电响应度(2000 A/W),并具有快速的光电流响应时间,适用于高速光电探测,该成果发表于 Nanoscale,7(9),p.4242-49,2015。
张胜男[8]2016年在《IGZO-TFT生物传感器的制备及其性能的研究》文中认为生物传感器是一个多学科交叉且极具创新活力的研究领域。与其他类型的生物传感器相比,薄膜晶体管(Thin Film Transistor,TFT)生物传感器,具有体积小、易集成、抗干扰性强等一系列优点。然而,目前TFT生物传感器普遍采用沟道与生物探测区域直接接触的结构,此结构导致半导体沟道层易受生物/化学溶液的影响,使用寿命低。鉴于此,本论文设计并制备了分离式结构的铟镓锌氧TFT(IGZO-TFT)生物传感器,成功实现了小鼠免疫球蛋白G(Ig G)和羊抗兔IgG的探测。主要研究结果如下:1.分离式双栅IGZO-TFT生物传感器(探测小鼠IgG)的构筑与性能研究。首先,设计了顶栅外延式的双栅IGZO-TFT,并采用磁控溅射和电子束蒸发镀膜技术以及后退火工艺,结合四步掩模法,完成了此结构IGZO-TFT的制备与优化。优化的TFT的亚阈值摆幅、开关电流比、阈值电压和饱和迁移率分别为172 mV/decade、5.3×107、6.4 V和25 cm2V-1s-1。其次,通过醛基化、共价交联等步骤在探测板Au膜表面完成了羊抗小鼠IgG生物分子膜的修饰,并通过荧光共聚焦显微镜对其进行了表征。最后,将上述TFT和探测区域相连接,成功构筑了分离式双栅IGZO-TFT生物传感器,其性能稳定且可实现对2 mg/m L的小鼠IgG的探测。2.分离式双电层IGZO-TFT生物传感器(探测羊抗兔IgG)的构筑与性能研究。首先,结合PECVD、磁控溅射、电子束蒸发镀膜技术,采用一步掩模法成功构筑了性能优异的双电层IGZO-TFT,其具有较大的开关电流比(?106)、较小的亚阈值摆幅(100 mV/dec)、较低的工作电压(<1.5 V)以及良好的稳定性和抗干扰性。其次,通过酯化、共价交联等步骤在探测板Au膜表面完成了兔IgG生物分子膜的修饰,并采用AFM对其密度和均匀性进行了表征。最后,成功构筑了分离式双电层IGZO-TFT生物传感器,并实现了在超低工作电压下对羊抗兔IgG的检测,检测线性区为1.6?368 fg/m L,此传感器探测下限低至1.6 fg/mL,优于文献中同类生物传感器。上述生物传感器可有效避免生物分子膜修饰过程中生物/化学溶液对IGZO-TFT的侵蚀,提高TFT的稳定性和使用寿命。而且,此分离式结构允许将一个TFT与多种生物探测区域连接,有望应用于多功能便携插卡式生物传感器。
尹飞飞[9]2017年在《有机薄膜晶体管模型建立及其集成电路设计》文中认为以有机薄膜晶体管(OTFT)为基础的有机电路以其特有的材料和工艺优势,正成为备受关注的研究热点,以有机射频识别标签(ORFID)为代表的有机集成电路将成为传统硅基集成电路的有益补充,乃至进一步的替代。本文基于大规模有机集成电路的EDA设计方法,建立了 OTFT可用于SPICE仿真的器件模型,同时实验制备选取性能最优的OTFT器件,作为基础器件,为其构建器件模型,设计了一款有机模数转换器(OADC)电路,并采用HSPICE软件完成了其功能的验证与性能的仿真,给出了最终工艺掩膜版版图。电路仿真结果满足预期的要求,验证了提出OTFT模型的实用性,为大规模有机集成电路的设计,生产及应用奠定了基础。首先,本文为有机集成电路的基础器件——OTFT,建立了可用于SPICE仿真的器件模型。OTFT器件中,载流子传输机制复杂,用物理方法很难对其进行分析,因此模型基于OTFT沟道中的电流电压传输特性,引入了载流子迁移率的经验公式及迁移率幂律参数γa来研究沟道载流子迁移率μFET随栅压Vgs的变化趋势及其载流子传输机制。此外,考虑到OTFT结构及材料的特性,模型中引入了对其沟道电流的影响不可忽略的漏、源接触电阻RS、RD;同时,基于沟道长度调制效应、沟道中陷阱和表面散射所产生的载流子速度饱和以及泄漏电流的影响,引入了沟道长度调制系数λ、弯曲经验参数m、饱和调制参数αsat、泄漏电流参数SIGMA0、场效应迁移率的特征电压Vaa等经验参数,建立完整的OTFT电流电压模型,并对其提出了一种提取模型中经验参数的方法,通过对实验测得的OTFT器件的输出特性曲线和转移特性曲线进行相应的计算和处理,准确地获得模型中的7个经验参数。实验制备了一种基于并五苯(Pentacene)的底栅顶接触(TC)结构的OTFT,并对其进行参数提取,构建其可用于SPICE仿真的器件模型,对其电流电压特性进行模拟,得到的仿真结果与测试结果相比较发现,该OTFT的输出特性和转移特性曲线无论在线性区还是在饱和区,仿真曲线和测试曲线都具有较强的一致性,验证了建立的OTFT器件模型及其参数提取方法的精确性。其次,本文制备了不同物理参数,不同绝缘层材料的OTFT,通过对其性能进行研究,确定可设计的物理参数,并为设计的有机集成电路选取性能优良的基础器件。首先,为了研究OTFT沟道宽长W/L,以及绝缘层厚度tox等物理参数对器件性能的影响,以Si为衬底,SiO_2为绝缘层,Pentacene为有源层,分别制备了不同绝缘层厚度tox的OTFT,和不同沟道宽长W/L的绝缘层,通过对比提取的参数发现,所有OTFT器件均有载流子迁移率幂率参数γaa>0,表现为载流子的有效迁移率随栅压增大而增大,这说明,制作的OTFT表现出与非晶硅和纳米晶硅TFT相类的传输机制,其载流子传输机制中,跳跃机制占据主导地位;此外,对比不同绝缘层厚度的OTFT器件发现,载流子迁移率μFET会随着栅绝缘层厚度的逐渐增加而减小,说明其对绝缘层厚度tox有一定的依赖性,对比其它模型参数发现也存在较大差异,这说明,不同绝缘层厚度的OTFT器件,其模型内的参数值不同,因此,他们在电路设计中不能够应用同一个OTFT器件模型,因此绝缘层厚度tox不能够作为可设计参数。而通过对不同沟道宽长W/L OTFT提取载流子迁移率μFET等参数,并进行对比发现,它们的载流子迁移率μFET以及其他参数均差异很小,说明同种工艺,同种结构的器件,沟道宽长W/L不同,绝缘层厚度相同时,可采用具有相同经验参数的同一个OTFT模型,将沟道宽长W/L作为可设计的参数,进行器件和电路的仿真。此外,实验制备了基于不同栅绝缘层材料的OTFT,并通过提取载流子迁移率等参数对其性能进行比较分析,结果发现,基于PVP栅绝缘层的OTFT器件的性能最优,因而将其选定为设计电路的基础器件。最后,以选取的性能较优的基于PVP绝缘层的OTFT为基础器件,并利用所提取的该器件的经验参数,建立其用于电路设计模拟的SPICE模型,设计了一款4位逐次逼近型(SAR)模数转换电路,采用H-SPICE仿真工具对其性能进行仿真验证,并根据设计的电路完成了相应的掩膜版版图设计。设计的SAR型ADC,在 100Hz 采样频率下,性能如下:DNL=0.55LSB,INL=0.55LSB,SFDR=31.5dB,SNDR=21dB,有效位数3.2位,在60V电源电压下,平均电流298μA,整体电路使用OTFT共409个。设计结果表明所建立的OTFT器件模型及使用的参数提取方法可以有效的应用在有机集成电路设计中,可以为大规模有机集成电路提供较为精确的预测。
王妹[10]2016年在《非晶IGZO薄膜晶体管背沟道表面修饰及器件特性研究》文中研究表明非晶铟镓锌氧(Amorphous Indium-Gallium-Zinc-Oxide,a-IGZO)薄膜晶体管(Thin Film Transistor,TFT),具有电子迁移率高、制备温度低、亚阈值摆幅小、开关比大等优点,在平板显示领域已凸显其重要地位。同时,a-IGZO TFT在逻辑电路、光电器件等领域中也具有广泛的应用前景。本文重点关注底栅结构a-IGZO TFT的背沟道修饰,研究了不同材料修饰后晶体管电学性能的变化规律,并阐述了相关工作机制,初步探索了背沟道修饰TFT在逻辑电路、光电器件领域的潜在应用。主要研究结果如下:(1)氧化物修饰a-IGZO TFT背沟道及其在反相器中的应用首先,通过调控氩氧比、沟道厚度等条件获得了性能优异的底栅结构a-IGZO TFTs。随后,在a-IGZO TFT背沟道分别修饰超薄NiO、Al_2O_3和SnO_x覆盖层,研究了超薄氧化物覆盖层对器件电学性能的影响,发现修饰后的a-IGZO TFT阈值电压均负向移动。相比NiO和Al_2O_3,SnO_x修饰的a-IGZO TFT,器件性能随时间的变化不大。通过改变SnO_x覆盖层的厚度可以实现对a-IGZO TFT阈值电压在较宽的范围内调控。随着SnO_x厚度从0 nm增加到19 nm,阈值电压从15.2 V移动到-9 V,工作模式从增强型转变到耗尽型。XPS分析结果表明,SnO_x覆盖层会夺取IGZO背沟道中的弱键氧。IGZO中弱键氧的存在会降低迁移率,同时还会引起电子浓度降低。随着SnO_x厚度增加,IGZO背沟道的弱键氧减少,沟道的本征电子浓度增加,阈值电压负移。在不同气氛下测试的结果表明,SnO_x覆盖层能够在一定程度上隔绝水蒸气或氧气,器件在空气中也表现出良好的稳定性。此外,在背沟道修饰的基础上,器件的稳定性可以用SU-8光刻胶作为钝化层来进一步提高。通过串联增强型和耗尽型TFT成功构筑了NMOS反相器,其中耗尽型TFT充当负载作用。我们构筑的NMOS反相器电压增益在VDD=15 V条件下达45.9,优于文献报道的同类型反相器,且兼具制备工艺简单、与普通氧化物薄膜晶体管工艺完全兼容的优点。(2)p型有机薄膜修饰a-IGZO TFT背沟道及其在光电器件中的应用本部分实验的目的是在a-IGZO TFT的背沟道修饰一层p型的PEDOT:PSS有机薄膜,实现TFT与p-n异质结的功能耦合。首先,制备IGZO/PEDOT:PSS异质p-n结。采用不同后处理工艺(如退火、等离子体处理等)对IGZO层进行改性,研究了改性前后IGZO与PEDOT:PSS形成的异质结的整流特性。结果表明沉积态和经等离子体处理后的IGZO薄膜均能够与PEDOT:PSS形成p-n结。为了兼顾TFT本身的电学性能,本实验选择了等离子体处理工艺。结果表明,光照条件下器件阈值电压发生明显负向偏移,其与光生载流子在内建电场作用下的分离以及电子在IGZO背沟道的注入有关。
参考文献：
[1]. 氧化物薄膜晶体管及其有源材料的研究[D]. 肖鹏. 华南理工大学. 2016
[2]. 低功耗AMOLED像素电路与驱动方法的研究[D]. 刘文江. 上海交通大学. 2014
[3]. 氧化铟基薄膜晶体管的制备与性能研究[D]. 李彬. 北京交通大学. 2016
[4]. 非晶铟镓锌氧薄膜晶体管在栅压应力下稳定性模型的研究[D]. 徐飘荣. 华南理工大学. 2016
[5]. 基于双栅结构的非晶硅薄膜晶体管建模及物理效应研究[D]. 秦剑. 华南理工大学. 2016
[6]. 一氧化锡薄膜晶体管与类CMOS电子器件研究[D]. 罗浩. 中国科学院宁波材料技术与工程研究所. 2016
[7]. 基于量子点/低维纳米碳材料的光调制薄膜晶体管器件的研究[D]. 刘向. 东南大学. 2017
[8]. IGZO-TFT生物传感器的制备及其性能的研究[D]. 张胜男. 中国科学院宁波材料技术与工程研究所. 2016
[9]. 有机薄膜晶体管模型建立及其集成电路设计[D]. 尹飞飞. 北京交通大学. 2017
[10]. 非晶IGZO薄膜晶体管背沟道表面修饰及器件特性研究[D]. 王妹. 中国科学院宁波材料技术与工程研究所. 2016
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