高可靠性Cu BCE a-IGZO TFTs的制作

背沟道刻蚀型（BCE）非晶氧化铟镓锌薄膜晶体管（a-IGZO TFT）具有工艺简单、寄生电容小以及开口率高等优点,但BCE IGZO器件背沟道易受酸液和等离子体损伤,进而引起TFT均匀性和稳定性等方面问题,随着GOA技术的导入,对TFT器件电学性能的均匀性和稳定性提升的要求也日益迫切,因此开发高信赖性BCE IGZO TFT是技术和市场的迫切要求。本文主要分析了基于IGZO的背沟道刻蚀型薄膜晶体管电学性质,通过优化钝化层材料,色阻材料以及GOA TFT结构等削弱因背沟道水汽吸附引起的器件劣化,偏压温度应力测试结果显示优化后的TFT展现了良好的稳定性——在80℃,栅极30 V负向偏压条件下,2 000 s的ΔV_th小于1 V。最终,利用优化的IGZO TFT制作了215.9 mm（85 in）8K4K 120 Hz液晶显示器。     

基于喷墨打印的In2 O3/IGZO TFT的电学性能

利用喷墨打印技术制备了非晶铟镓锌氧化物(IGZO)薄膜、铟氧化物(In_2O_3)薄膜和性能明显改善的双层In_2O_3/IGZO异质结沟道薄膜,研究了薄膜的物理与电学特性。结果表明,喷墨打印制备的金属氧化物薄膜具有较高的光学透过率与较低的表面粗糙度;嵌入的In_2O_3层薄膜能减小IGZO与In_2O_3间的界面缺陷,明显提高In_2O_3/IGZO薄膜晶体管(TFT)的性能及其偏压稳定性。随着IGZO中In含量的增加,载流子浓度升高,器件的迁移率增大,但In_2O_3与IGZO间能级势垒会逐渐降低,最后导致难以控制关态电流和阈值电压,因此,适当调整In的比例有利于获得较高器件性能的In_2O_3/IGZO异质结沟道TFT。     

基于铟镓锌氧化物的纸基柔性薄膜晶体管器件研究

目前大多数柔性薄膜晶体管(TFT)使用塑料基板替代玻璃基板会导致白色污染加重,本研究采用可降解的纳米纤维素纸作为柔性基板,其具有粗糙度仅为3.12 nm的优异平滑度,且整个器件沉积完后只增加至6.03 nm。更重要的是,该TFT器件通过磁控溅射制备IGZO/Al₂O₃作为有源层,使得器件在室温下无需热退火处理,避免了纳米纸不耐高温的问题。在有源层中,Al₂O₃充当电子桥连接了不连续的铟镓锌氧化物(IGZO),且IGZO有着微弱的结晶,大量的载流子得以沿沟道流通。该纸基器件展示出迁移率为22.5 cm²/(V·s)、开关比高达5.07×10⁶、阈值电压V_th仅为-0.036 V的优异性能,并且有着很好的正偏压和负偏压稳定性。这种纸基TFT在未来的绿色且柔性显示中具有巨大的应用潜力。     

沟道层带尾态密度和厚度对a-IGZO薄膜晶体管特性影响的数值仿真

建立了非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)薄膜晶体管(thin-film transistor, 简称TFT)的仿真模型,仿真分析了IGZO半导体层带尾态密度和沟道层厚度两个参数对IGZO TFTs特性的影响规律.研究结果表明,当半导体层带尾态密度增加到1.5×1019 cm-3·eV-1及以上时,器件电学特性受深陷阱态影...     

氧分压对铟镓锌氧薄膜晶体管性能影响

采用标准的液晶显示屏基板制备工艺制备出铟镓锌氧薄膜晶体管(IGZO-TFT),通过调节IGZO薄膜工艺中氧分压,研究不同氧分压对TFT器件电学性能的影响。实验结果表明,所有器件都展现出良好的电学特性,随着氧分压从10%增加到50%,TFT的阈值电压由0.5 V增加到2.2 V,而亚阈值摆幅没有发生变化。在栅极施加30 V偏压3600 s后,随着氧分压的增加,阈值电压向正向的漂移量由1 V增加到9 V。经过分析得出高氧分压的IGZO-TFT器件中载流子浓度低,建立相同导电能力的沟道时所需要栅极电压会更大,阈值电压会增加。而在金属-绝缘层-半导体(MIS)结构中低载流子浓度会导致有源层能带弯曲的部分包含更多与电子陷阱相同的能态,栅介质层(GI)会俘获更多的电子,造成阈值电压漂移量较大的现象。     

不同光刻胶作保护层对a-IGZO TFT性能的影响

采用脉冲直流溅射的方式沉积IGZO膜层作为底栅结构TFT的有源层,并在背沟道上涂覆不同类型的光刻胶作为保护层,探讨不同保护层对器件电学特性的影响。经考察发现:采用光刻胶作为保护层时,保护层制作后短期内可维持器件的电学特性基本不变;但涂胶后暴露在空气中一定时间后,器件的电学特性开始衰退,尤其是阈值电压变化较明显,器件工作模式由增强型变为耗尽型,并推断光刻胶中溶剂接触到背沟道中IGZO,其化学反应导致沟道中氧脱附,载流子浓度增加。实验还发现:使用SU-8负性光刻胶作为保护层的器件,其电学特性衰退较小,在空气中放置一段时间后表现最稳定。     

环境湿度对非晶铟镓锌氧薄膜晶体管负偏压光照稳定性的影响

为了探究环境湿度对非晶铟镓锌氧薄膜晶体管(a-IGZO TFT)的负偏压光照(NBIS)稳定性的影响,本文使用非密闭腔室进行不同波长光照射下以及不同相对湿度下的TFT负偏压测试。介绍了a-IGZO TFT的基本结构以及实验所用I-V测试系统。测试了不同波长光照条件下a-IGZO TFT的转移特性曲线以及相同波长光照射下不同相对湿度的转移特性曲线。实验结果表明:a-IGZO TFT的转移特性曲线随着电压偏置时间的增加而发生负偏;随着光照波长的减小,器件阈值电压负漂越明显。随着相对湿度增加,a-IGZO TFT的NBIS不稳定性逐渐降低,但其电学特性发生了严重的劣化。在相对湿度为50%,光照波长为400nm时,a-IGZO TFT的NBIS电学特性最好,其在负偏压时间为1 500s时的阈值电压偏移为15V。     

TFT有源层刻蚀均一性和电学性质的研究

对TFT制作工艺中,TFT有源层刻蚀均一性与电学性质进行分析研究。通过扫描电子显微镜,电学测试设备对样品进行分析。结果显示沟道有源层的刻蚀功率,气体比例及刻蚀压强对有源层的刻蚀均一性都有较大影响,并会影响TFT电学特性的均一性。通过适当降低刻蚀功率及反应气体SF6/Cl2的比例,同时,降低反应压强,可以改善有源层刻蚀的均一性。从而,TFT电学特性的均匀性得到优化。     

IGZO TFT与ZnO TFT的性能比较

分析比较了ZnO TFT与IGZO TFT的主要光电学特性以及阈值电压稳定性。结果表明:ZnO薄膜与IGZO薄膜在可见光波长范围内都有着较高的光学透过率;在同等制备条件下,IGZO TFT器件的场效应迁移率、开关电流比、阈值电压及亚阈值系数等方面的特性均明显好于ZnO TFT;二者都有着较低的泄漏电流,并且差别很小。另外,ZnO TFT在正负偏压下阈值电压都有漂移,而IGZO TFT在正偏压下阈值电压漂移比ZnO TFT的小且在负偏压下阈值电压没有漂移,由此可见IGZO TFT比ZnO TFT有着更好的稳定性。总之,IGZO薄膜比ZnO薄膜更适合作为下一代TFT的有源层材料。     

绝缘层材料及结构对薄膜晶体管性能的影响

基于半导体仿真软件Silvaco TCAD对薄膜晶体管(TFT)进行器件仿真,并结合实验验证,重点分析不同绝缘层材料及结构对TFT器件性能的影响。仿真及实验所用薄膜晶体管为底栅电极结构,沟道层采用非晶IGZO材料,绝缘层采用SiN_x和HfO_2多种不同组合的叠层结构。仿真及实验结果表明:含有高k材料的栅绝缘层叠层结构较单一SiN_x绝缘层结构的TFT性能更优;对SiN_x/HfO_2/SiN_x栅绝缘层叠层结构TFT,HfO_2取40nm较为合适;对含有高k材料的3层和5层绝缘层叠层结构TFT,各叠层厚度相同的对称结构TFT性能最优。本文通过仿真获得了TFT性能较优的器件结构参数,对实际制备TFT器件具有指导作用。     

水基溶液法IGZO-TFT的电学特性研究

采用水基溶液法制备铟镓锌氧化物薄膜晶体管(IGZO-TFT),研究了在有无紫外光辅助退火条件下,不同后退火温度(270,300,330,360和400℃)对IGZO-TFT器件电学性能的影响。研究发现,IGZO-TFT在后退火温度为360℃时器件电学性能最佳,从而证明了水基溶液法在小于400℃的低温下可以制备IGZO-TFT。同时,研究表明,在后退火温度为360℃时,与无紫外光辅助退火IGZO-TFT相比,经紫外光辅助退火IGZO-TFT的饱和迁移率从1.19 cm²/Vs增加到1.62 cm²/Vs,正栅偏压偏移量从8.7 V降低至4.6 V,负栅偏压偏移量从-9.7 V降低至-4.4 V,从而证明了紫外光辅助退火对IGZO薄膜具有激活与钝化作用,可以优化IGZO-TFT器件的电学性能。     

双层有源层非晶铟镓锌氧化物薄膜晶体管的仿真

采用SILVACO软件的ATLAS对双有源层非晶铟镓锌氧化物薄膜晶体管进行二维器件模拟,研究了在底栅顶接触的结构下,不同沟道厚度比的情况下的器件的电学特性。在IZO材料的厚度为5nm、IGZO材料的厚度为35nm时,器件的最佳开关电流比约为3.5×1013,亚阈值摆幅为0.36V/dec。并在此厚度比的基础上,模拟了两层材料的隙态密度,并通过改变态密度模型中的相关参数,观察两层材料对器件的电学特性的影响情况。     

TFT 5次光刻背沟道刻蚀型与保护型工艺

5次光刻工艺(简称5PEP)是一种新的研究,分为背沟道刻蚀型和背沟道保护型.5PEP改变了TFT结构和原理,相对于常用的7 PEP可缩短生产周期,减少使用设备,提升成品率,降低成本.研究制定了背沟道刻蚀型与背沟道保护型5PEP的主要工序步骤,并通过50.8 mm液晶屏多次小批量投产进行试验.探讨了刻蚀型5PEP中a-Si岛刻蚀不良、SiNx刻蚀跨断等问题.取得合理的工艺参数,使5PEP能应用于小尺寸液晶屏的TFT量产.     

氧化锌基TFT稳定性研究进展

总结了氧化锌基TFT稳定性的最新研究进展,分析了栅偏压、栅绝缘层和背沟道影响TFT稳定性,尤其是阈值电压稳定性的主导机制.结果表明,氧化锌基TFT的不稳定性主要取决于陷阱缺陷态对可动载流子的俘获作用,以及新陷阱态的产生.总结了提高氧化锌基TFT稳定性的三种途径:降低栅偏压;提高沟道/栅绝缘层界面质量,降低缺陷态密度;钝化保护背沟道.     

等离子体处理对非晶IGZO柔性薄膜晶体管性能的影响

本文研究了柔性基板上的薄膜晶体管,使用IGZO作为有源层,栅极绝缘层采用NH3等离子体和N2O等离子体分别进行处理,研究器件性能变化。结果表明等离子体类型及处理时间对阈值电压、场效应迁移率、开关比、亚阈值摆幅（SS）和偏压稳定性都有影响。TFT器件用NH3等离子体处理10秒显示出最佳的器件性能,阈值电压达到0.34 V,场效应迁移率为15.97 cm2/Vs,开关比为6.33×107,亚阈值摆幅为0.36 V /dec。本文提出的柔性IGZO-TFT是下一代柔性显示驱动装置较好选择。     

未退火InGaZnO作为缓冲层的InGaZnO薄膜晶体管性能研究

铟镓锌氧化物薄膜晶体管(IGZO TFT)因具有场效应迁移率高,大面积均匀性好,无定型态等特点,被认为是显示器朝着大尺寸、柔性化方向发展的新型背板技术。源漏电极与有源层之间的接触氧化会增大器件的接触电阻,从而导致器件的性能降低。利用未退火IGZO具有氧含量低、氧空位多、电导率高的特点,提出采用未退火IGZO作为源漏电极缓冲层,以减少源漏电极与有源层之间的接触氧化。研究发现插入4nm未退火IGZO缓冲层时,相对于未采用缓冲层的器件,其饱和区场效应迁移率提高了11.6%,阈值电压降低了3.8V,器件性能有所提高。此外,该方法还可以在原位退火之后继续使用与有源层相同的材料溅射生长缓冲层,能够使得在采用矩形靶溅射方式的工业生产中,制备缓冲层工艺更加简单。     

浸渍提拉法制备有机介质层铝铟锌氧薄膜晶体管

利用溶液法的浸渍提拉工艺制备了以有机聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为介质层、非晶铝铟锌氧化物(a-AIZO)为沟道层的顶栅共面结构薄膜晶体管(TFT),研究了沟道层退火温度对TFT性能的影响机理。结果表明:较低退火温度(如300和350℃)下处理的沟道层中存在未彻底分解的金属氢氧化物,其以缺陷态形式存在于TFT沟道层内或沟道层/介质层界面处,对导电沟道中电子进行捕获或散射,劣化TFT的迁移率、电流开关比以及亚阈值摆幅。综合来看,退火温度高于400℃下制备的a-AIZO适用于TFT器件的沟道层,相应的器件呈现出较高的迁移率(大于20cm2/(V·s))、较低的亚阈值摆幅(小于0.5V/decade)以及高于104的电流开关比。     

基于HfO2栅介质的Ga2O3 MOSFET器件研制

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法在(010) Fe掺杂半绝缘Ga2O3同质衬底上外延得到n型β-Ga2O3薄膜材料,材料结构包括400 nm的非故意掺杂Ga2O3缓冲层和40 nm的Si掺杂Ga2O3沟道层.基于掺杂浓度为2.0×1018 cm-3的n型β-Ga2O3薄膜材料,采用原子层沉积的25 nm的HfO2作为栅下绝缘介质层,研制出Ga2O3金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET).器件展示出良好的电学特性,在栅偏压为8V时,漏源饱和电流密度达到42 mA/mm,器件的峰值跨导约为3.8 mS/mm,漏源电流开关比达到108.此外,器件的三端关态击穿电压为113 V.采用场板结构并结合n型Ga2O3沟道层结构优化设计能进一步提升器件饱和电流和击穿电压等电学特性.     

顶栅共面结构非晶氧化物薄膜晶体管的低成本制备及性能研究

将溶液法制备的不含镓的非晶InAlZnO薄膜和有机聚甲基丙烯酸甲酯薄膜分别作为沟道层和介质层,制备了顶栅共面结构的非晶氧化物薄膜晶体管(TFT)器件,探讨了沟道层中Al含量对器件性能的影响。结果表明：Al对InZnO薄膜中氧空位的形成能起到一定抑制作用,增加Al含量即可降低沟道层中的电子载流子浓度,使得InAlZnO TFT器件阈值电压正向移动、关态电流减小,以有利于器件开关比的提升。此外,基于沟道层中Al含量的调整可通过优化沟道层/介质层界面状态来促进器件阈值电压滞回稳定性的提升。当沟道层中Al含量为30%时,制备的器件具有最佳综合性能。     

非晶IGZO透明导电薄膜的L-MBE制备

报道了一种利用等离子辅助激光分子束外延技术(L-MBE)在石英衬底上制备IGZO透明导电薄膜的新工艺.该工艺在超高真空中进行,可以有效避免杂质和污染,提高薄膜的纯度和光学、电学性能.通过优化生长时的气体离化功率,在300W射频功率下,得到光学电学性能优良的非晶态IGZO透明导电薄膜,其可见光范围内透过率超过80%,其室温电子迁移率高达16.14cm2v-1s-1,明显优于目前薄膜晶体管(TFT)中常用的非晶硅和有机物材料.测试结果表明,采用此工艺制备的非晶态IGZO透明导电薄膜,具有优良的光学、电学特性,能代替非晶硅和有机物,提高TFT-LCD的性能,实现真正的全透明、高亮度及柔性显示.