氧化物TFT及其驱动的AM-OLED矩阵屏的研究

论文摘要

氧化物薄膜晶体管（Oxide TFT）和硅基TFT相比具有迁移率高、制备工艺简单、在可见光波段透明等优点,是很有发展潜力的下一代TFT技术。本文不仅对于氧化物TFT的低压驱动、稳定性的提高等基础问题将进行了深入的研究,也对氧化物TFT的实用化进行了初步的尝试。主要的研究内容及创新性结果如下:1.采用高介电常数介质氧化钽及改进型复合绝缘层介质等,制备了低驱动电压、高迁移率的ZnO-TFT。a)Ta2O5绝缘层厚度的优化。实验结果表明,Ta2O5绝缘层厚度对于ZnO-TFT的性能有很大的影响。随着绝缘层厚度的减小TFT器件的迁移率明显增加,Ta2O5绝缘层厚度为40 nm时ZnO-TFT的迁移率达到了71 cm2/Vs。研究表明,大电容所引起的对电荷的强耦合作用是TFT器件迁移率提升的主要原因,绝缘层的表面形貌对器件性能也有重要影响。但是,随着绝缘层厚度的减小,TFT器件的关态电流迅速增加。综合考虑,氧化钽绝缘层的最优厚度为85 nm。b)Ta2O5绝缘层的表面修饰。首次提出了使用SiO2薄膜来修饰Ta2O5绝缘层。实验表明,经过SiO2薄膜修饰,绝缘层的性能得到了明显的提升。漏电流降低了一个数量级,绝缘层的表面粗糙度降低了30%,陷阱态减少了75%。使用复合绝缘层（STS）的ZnO-TFT器件表现出更为优异的性能,开关电流比提高了一个数量级,亚阈值摆幅降低了10%,阈值电压漂移也从1.1 V减小至0.38 V,器件的迁移率提高了15%。通过对MIS（金属/绝缘层/半导体）结构的电容研究和理论计算得到了氧化硅薄膜修饰提高晶体管性能的原因是氧化硅薄膜的修饰降低了它的表面粗糙度和减少了界面态的。2.基于SiO2绝缘层的ZnO-TFT性能及稳定性的研究。a)研究了溅射SiO2绝缘层厚度对于器件性能和稳定性的影响,实验表明绝缘层的厚度不仅对于氧化物TFT的迁移率、阈值电压和开关比等性能有重要影响,而且对于器件的稳定性也有很明显的影响。通过实验我们也得到了最优化的绝缘层厚度为150 nm,器件的迁移率、开关比和亚阈值摆幅分别为6.1 cm2/V.s、1.1×107和1.6 V/dec。150 nm厚度绝缘层器件的稳定性也优于绝缘层厚度为230 nm和300 nm的器件,在经过一个小时的偏压老化之后,它们的阈值电压飘移分别为3 V、6 V和9.4 V。b)研究了SiO2绝缘层溅射氧分压对于器件性能和稳定性的影响,实验表明制备绝缘层的氧分压不仅对于氧化物TFT的迁移率、阈值电压和开关比等性能有重要影响,而且对于器件的稳定性也有很明显的影响。通过实验我们也得到了优化的绝缘层制备氧分压为20%,器件的迁移率、开关比和亚阈值摆幅分别为8.1 cm2/V.s、1.8×108和1.35 V/dec。20%氧分压绝缘层器件的稳定性也优于绝缘层氧分压为15%和30%的器件,在经过一个小时的偏压老化之后,它们的阈值电压飘移分别为2 V、3 V和7.3 V。c)研究了衬底加热及退火对于ZnO-TFT稳定性的影响并通过理论计算得到了导致其不稳定性的主要原因是绝缘层、有源层以及绝缘层/有源层界面处缺陷态所引起的charge trapping。实验表明,通过衬底加热及后退火等工艺可以有效地减少绝缘层、有源层以及绝缘层/有源层界面处的缺陷态密度从而提高氧化物TFT的稳定性。在本工作中,我们通过退火的方法将器件的阈值电压漂移量从18 V减小至3 V。3.底栅及顶栅结构的IGZO-TFT的研究。我们知道氧化锌薄膜为多晶态结构,所以使用氧化锌薄膜作为有源层的TFT器件会产生一些问题:由于晶界而产生较多的缺陷态、器件的不均匀性和由于吸附气体所导致器件性能的不稳定。四元系的铟、镓、锌氧化物薄膜具有非晶结构,以其作为有源层的TFT器件具有良好的电学性能。在本节的工作中,我们制备了以四元系IGZO为有源层的TFT器件,主要内容如下:a)研究了退火对于IGZO-TFT性能的影响。实验结果表明,通过退火可以有效地提高器件的性能。经过退火之后IGZO-TFT的迁移率由4.98 cm2/Vs提高至7 cm2/Vs,阈值电压由30 V降低至22 V而亚阈值摆幅也从3.2 V/dec减小至1.85 V/dec。我们还测量研究了在不同温度下器件的稳定性,器件的稳定性随着温度的增加而劣化。实验表明,绝缘层和有源层内部的陷阱是造成器件不稳定的主要原因。b)使用顶栅结构可以有效的简化TFT的制备工艺,但是同时也会带来一些问题:绝缘层的制备会对有源层造成损伤,从而导致器件性能的劣化。在本节的工作中,我们采用添加缓冲层的方法,成功抑制了顶栅IGZO-TFT的关态电流,制备了性能较为优异的顶栅氧化物TFT。实验结果表明,SiO缓冲层薄膜可以有效地抑制绝缘层制备过程中对于有源层的损伤,从而降低器件的关态电流,提高器件的迁移率。总体来说,10 nm缓冲层厚度器件的性能最优,它的迁移率达到1.29 cm2/Vs,开关比达到了104量级。与没有缓冲层的器件相比,它的开关比提高了3个数量级,迁移率提高了10%,器件的界面态密度降低了1个数量级。4.对于基于氧化物TFT的AM-OLED矩阵屏的基础研究及制备。a)成功设计并实现了以“两TFT,一电容”为单元的IGZO-TFT阵列。采用五步光刻工艺,解决了TFT阵列源、漏电极材料,“刻蚀阻挡层”等关键问题,最终打通了IGZO-TFT阵列的全部光刻工艺。b)研究了PECVD氧化硅薄膜的制备条件对于IGZO-TFT器件性能的影响,确定了较优化的制备条件。在前面这些基础研究工作的基础上成功制备了基于IGZO-TFT的AM-OLED矩阵屏,实现了对于70%以上像素点的有效控制。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 引言

1.2 TFT 技术领域发展现状

1.2.1 硅基TFT

1.2.2 有机半导体TFT

1.2.3 氧化物半导体TFT 的研究进展

1.2.4 氧化物TFT 存在的问题

1.3 场效应晶体管的结构及工作原理

1.3.1 场效应晶体管的结构

1.3.2 场效应晶体管的工作机理

1.4 场效应晶体管的性能表征

1.4.1 载流子迁移率

1.4.2 开关电流比

1.4.3 阈值电压

1.4.4 亚阈值摆幅

1.5 本论文研究内容及安排

参考文献

20₅绝缘层的低压ZnO-TFT 的制备及研究'>第二章基于高介电常数Ta₂0₅绝缘层的低压ZnO-TFT 的制备及研究

2.1 氧化钽绝缘层厚度对于器件性能的影响

2.1.1 器件的制备过程

2.1.2 器件的测量结果和讨论

2.1.3 本节小结

2.2 氧化硅薄膜修饰对于ZnO‐TFT 器件性能影响的研究

2.2.1 器件的制备

2.2.2 器件的测量结果和讨论

2.2.3 本节小结

参考文献

2绝缘层的ZnO-TFT 性能及其稳定性的研究'>第三章基于磁控溅射Si0₂绝缘层的ZnO-TFT 性能及其稳定性的研究

2 绝缘层厚度对ZnO‐TFT 性能的影响'>3.1 Si0₂ 绝缘层厚度对ZnO‐TFT 性能的影响

3.1.1 器件的制备

3.1.2 器件的测量结果和讨论

3.1.3 本节小结

2 绝缘层制备的氧分压对于ZnO‐TFT 器件性能影响的研究'>3.2 Si0₂ 绝缘层制备的氧分压对于ZnO‐TFT 器件性能影响的研究

3.2.1 器件的制备

3.2.2 器件的测量结果和讨论

3.2.3 本节小结

3.3 通过衬底加热提高ZnO‐TFT 的偏压稳定性

3.3.1 器件的制备

3.3.2 器件的测量结果和讨论

3.3.3 本节小结

2 绝缘层的低压ZnO‐TFT 及其用于OLED 驱动的初步研究'>3.4 基于Si0₂ 绝缘层的低压ZnO‐TFT 及其用于OLED 驱动的初步研究

3.4.1 器件的制备

3.4.2 器件的测量结果和讨论

3.4.3 本节小结

3.5 本章小结

参考文献

第四章底栅及顶栅IGZO-TFT 的制备及研究

4.1 IGZO‐TFT 性能及稳定性的研究

4.1.1 器件的制备

4.1.2 实验的测量结果和讨论

4.1.3 本节小结

4.2 顶栅IGZO‐TFT 的制备及研究

4.2.1 器件的制备过程

4.2.2 实验的测量结果和讨论

4.2.3 本节小结

4.3 本章小结

参考文献

第5章基于IGZO-TFT 的AM-OLED 矩阵屏的研究

5.1 基于IGZO‐TFT 的 AM‐OLED 的基础研究

5.1.1 IGZO‐TFT 阵列源、漏电极材料的选择

5.1.2 氧化硅绝缘层气体比例对于器件性能的影响

5.2 基于IGZO‐TFT 的AM‐OLED 矩阵屏的制备

5.2.1 像素驱动单元的设计

5.2.2 AM‐OLED 矩阵屏工艺流程的确定

5.2.3 基于IGZO‐TFT 阵列的AM‐OLED 矩阵屏的制备

5.3 AM‐OLED 矩阵屏的测试结果及分析

5.4 本章小结

第六章结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

作者在攻读博士学位期间公开发表的论文

作者在攻读博士学位期间所作的项目

致谢

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