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氧化物薄膜晶体管(TFT)具有场效应迁移率高、制备温度低、在可见光波段透明等优点,有望克服现有显示技术中Si基薄膜晶体管像素开口率小、对光敏感、分辨率低等瓶颈问题而逐步取代Si-TFT。TFT作为一种多层器件,各层材料性能及其接触界面质量的优劣对TFT的整体性能有着显著影响。透明电子器件的研究人员已经意识到,相比于沟道材料,栅介质的选择和优化是TFT发展的一个更大挑战。栅介质的质量将在极大程度上决定TFT的性能。一种好的栅介质应具有表面平整、介电常数大,击穿场强大于4 MV/cm、1MV/cm时漏电流密度小于10 nA/cm2、与沟道材料之间的界面态密度足够小等性能。因此本课题从寻找合适的栅介质替代传统的SiO2出发,立足于Y2O3基TFT的制备和性能研究,展开了三个相互关联的实验:
1.Y2O3薄膜的制备及其结构、光学和电学性能研究
在ITO玻璃衬底上,用反应射频磁控溅射的方法室温沉积Y2O3薄膜,并对Al/Y2O3/ITO MIM结构进行金属化后退火(PMA)。通过X射线衍射(XKD),光谱椭偏仪(SE)和半导体参数仪等表征手段对Y2O3薄膜及其MIM结构进行了结构、光学和电学性能分析。发现随着工作气压的减小,Y2O3折射率增大、致密度提高,漏电流减小,即工作气压的减小使得薄膜的综合物理性能提高。而PMA能显著抑制MIM结构的漏电流,在优化的退火条件下,样品的漏电流接近10 nA/cm2@1 MV/cm,相比于沉积态时减小了3个数量级:同时样品的击穿场强也显著增大。
2.掺氮Y2O3(YON)薄膜及其在TFT中的应用研究
用金属Y靶与Ar/N2O反应溅射的方法,探索了一系列实验条件,并确定最佳实验参数:功率100 W,Ar:N2O=10 sccm:0.6 sccm。分别制备了YON-TFT和Y2O3-TFT(作为参照)。对YON进行XPS分析发现了明显的N1s峰,证明了N的掺入。而XRD图谱显示,沉积态的YON是非晶的,在400℃退后的样品里才出现微弱的衍射峰,说明N的掺入延缓了Y2O3的结晶,这就使得沉积态的YON比Y2O3漏电流小。YON TFT的场效应迁移率26.6 cm2/V·s,开关比2.1×107,阈值电压1.8V,亚阈值摆幅0.41V/decade。根据亚阈值摆幅计算得出的界面态密度仅为8.96×1011cm-2,小于文献报道的Y2O3的相关数据,证明YON是一种优良的栅介质材料。
3.Y,Al复合氧化物(YAlOx)薄膜及其在TFT中的应用研究
用Y,Al共溅射的方法制备了YAlOx薄膜。研究发现,固定Y的溅射功率在60W,Al的溅射功率增加时,TFT的整体性能在提升,其中当功率为Al70W-Y60W时最好。具体性能参数为:场效应迁移率140.9 cm2/V.s,阈值电压0.33V,开关比7.4×107,关断电流2.0×10-10 A及亚阈值摆幅0.31V/decade。将功率为Al70W-Y60W的YAlOx-TFT和70 W的Al2O3-TFT、60 W的Y2O3-TFT对比分析发现,虽然三者均有扫描迟滞现象,但是YAlOx的AFM表面形貌表明它是非晶的,且最为平整,粗糙度最小,所以使得YAlOx-TFT性能最好。对MIM结构漏电特性分析发现YAlOx的漏电密度远小于Y2O3和Al2O3的密度,其在1 MV/cm时的漏电密度已经小于1nA/cm2,击穿场强大于4 MV/cm,远大于Y2O3和Al2O3的击穿场强。用Y靶和Al共溅射的方法总体实现了对复合高K栅介质的预想:使介质呈非晶态,并且具有平滑的表面;获得Al2O3大禁带宽度和Y2O3高介电常数的折中。同时对YAlOx-TFT透过率表征发现其在可见光区的平均透过率为80％,说明YAlOx可以应用于透明薄膜晶体管(TTFT)。