二氧化锡沟道铁电薄膜晶体管的制备及其性能研究-微电子学与固体电子学专业论文.docx

Fabrication and Characteristics of Ferroelectric Thin Film Transistors with SnO2 Channels Candidate Lianghua Jia Supervisor Professor Jinbin Wang College Faculty of Materials, Optoelectronics and Physics Program Electronic Materials and Devices Specialization Microelectronics and Solid State Electronics Degree Master of Engineering University Xiangtan University Date May 19, 2014 湘潭大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 摘 要 摘 要 以薄膜晶体管(TFT)为开关元件的有源阵列驱动显示器是众多平板显示器中 的佼佼者。透明氧化物半导体作为沟道材料在 TFT 中的应用越来越多的受到人 们的关注，这是因为相对于非晶硅、多晶硅和有机半导体，透明氧化物具有很多 优势，如高的光学透过率、低功耗，对衬底要求不高等等。越来越多的宽禁带隙 的透明氧化物半导体因为满足上述的要求而被广泛的研究报道。同时，基于 TFT 结构的铁电薄膜晶体管(FeTFT)由于其容易大面积集成、铁电薄膜与沟道层间界 面特性好、非易失性等特点，引起了人们的极大研究兴趣。本文通过溶胶凝胶法 (Sol-gel)在不同衬底上制备了以 SnO2 薄膜作为有源层，(Bi,Nd)4Ti3O12(BNT)铁电 薄膜作为绝缘层的 TFT，对比了整个器件退火前后性能的改变；并研究了通过改 变 SnO2 薄膜的退火温度对 TFT 性能的影响；最后研究了通过掺杂不同浓度 Sb 元素的 SnO2 薄膜作为有源层对 TFT 的影响。具体内容和研究结果如下： (1) 通过 Sol-gel 法在 n-type Si(100)衬底上制备了以 SnO2 薄膜作为有源层， BNT 铁电薄膜作为绝缘层的 TFT，并对 TFT 退火前与退火后的电学性能进行了 比较。实验结果表明器件退火后 TFT 性能得到明显改善，漏电明显减小。由于 器件的后退火处理使薄膜界面内的缺陷态得到了减少，通过退火改善了栅极与引 出的导线的表面接触。SnO2 薄膜内部的一些晶粒缺陷得到了改善，薄膜质量得 到提高，使有源层在器件中形成理想的导电沟道，提高了器件的开态电流。晶体 管呈现出 N 沟道增强型性能，其开态电流 Ion = 25 μA，场效应迁移率 μsat = 0.3 cm2V-1s-1。 (2) 研究了 SnO2 薄膜分别在 450℃、550℃、650℃温度下退火对 TFT 的影 响。实验结果表明适当地提高退火温度(550℃)可以减少薄膜内部中的结构缺陷， 但是随着退火温度的继续增高晶粒会逐渐增大，使得载流子迁移时受到晶界的散 射导致迁移率降低，空气中的杂质离子在高温下容易进入晶格，从而增加晶格的 散射，导致迁移率降低，输出电流减小。 (3) 研究了 Sb 掺杂浓度为 0%、5%、10%的 SnO2 薄膜作为有源层在 n-type Si(100)和 Pt/Ti/SiO2/Si 两种不同衬底上制备对 TFT 性能的影响。实验结果表明 Sb 掺杂浓度为 0%、5%、10%的 SnO2 薄膜作为有源层时，TFT 都存在漏电的现 象，分析原因可能是 Sb 掺杂后导致了 SnO2 薄膜出现了大量的结构缺陷。在掺杂 浓度为 0%时在 n-type Si(100)衬底上制备的 TFT 出现了明显的饱和趋势。 关键词：SnO2 薄膜；薄膜晶体管；铁电薄膜；溶胶凝胶 I Abstract Abstract The thin film transistor