發(fā)布時間：2018-06-19 11:26

  本文選題：薄膜晶體管 + 氧化物半導體　； 參考：《華南理工大學》2016年博士論文

【摘要】：薄膜晶體管(TFT)是液晶顯示(LCD)和有源矩陣有機發(fā)光二極管(AMOLED)顯示背板的核心部件;其中基于金屬氧化物半導體有源層的TFT由于具有遷移率較高、成本低、工藝溫度較低、均勻性好、對可見光透明以及與a-Si TFT產(chǎn)線兼容等優(yōu)點而被認為是適合驅(qū)動AMOLED的TFT技術(shù)之一。隨著平板顯示向超高分辨率、超大尺寸以及柔性等方向發(fā)展,其對金屬氧化物TFT(MO-TFT)的性能及工藝溫度提出了更高的要求。因此,需要進一步提高MO-TFT的遷移率(20 cm2V-1s-1)和穩(wěn)定性以滿足超高分辨率、超大尺寸顯示的驅(qū)動需求;另一方面,還需要進一步降低制備MO-TFT的工藝溫度以匹配柔性襯底。本論文首先從器件著手,首次提出了一種利用溶劑對MO-TFT背溝道進行修飾從而提高器件性能的方法。由于氧化物表面通常對大氣中的水、氧分子比較敏感,水、氧分子在氧化物背溝道的吸附/解吸附效應會嚴重影響MO-TFT的性能;利用溶劑對InGaZn O(IGZO)TFT背溝道進行修飾后,背溝道表面能顯著降低,這極大地抑制了背溝道表面對水、氧的吸附/解吸附效應,有效減少了背溝道表面的氧雜質(zhì),器件表現(xiàn)出了更高的遷移率和更好的穩(wěn)定性。在上述溶劑處理的基礎(chǔ)上,為了進一步保護氧化物背溝道免受大氣的影響,通常采取在其上加入無機鈍化層以提高器件穩(wěn)定性,但無機鈍化層的制備通常會對有源層造成等離子傷害或氫摻雜,這嚴重惡化了器件性能。針對這一問題,基于前一部分工作的啟發(fā),我們利用有機分子在氧化物背溝道表面形成一層致密有序地自組裝分子層,成功實現(xiàn)了高性能IGZO-TFT的制備,器件遷移率達26.6 cm2V-1s-1,閾值電壓為0 V,磁滯回線0.06 V,在持續(xù)2.5 h的偏壓(VG=10 V)下,閾值電壓僅漂移0.14 V。該方法避免了鈍化層制備對有源層的損傷;而且由于無需真空設(shè)備,也極大地降低了制造成本。此外,我們進一步研究了自組裝分子所含烷基鏈長短對器件修飾效果的影響并探索了其相關(guān)機理,這為今后選擇合適的自組裝分子制備更高性能的MO-TFT提供了理論指導。前面的自組裝分子層修飾氧化物的背溝道雖然可以大幅提高器件的性能,但是修飾后氧化物半導體層依然對酸敏感,在刻蝕源、漏電極時很容易被刻蝕液腐蝕,因此在實際應用中仍然需要增加刻蝕阻擋層(ESL)以保護溝道不被刻蝕。為實現(xiàn)無需ESL的背溝道刻蝕型TFT(BCE TFT),我們采用Au納米粒子修飾氧化物半導體表面。在氧化物半導體薄膜上引入Au納米粒子后,薄膜的抗刻蝕性顯著增強,有效減少了圖形化源、漏電極過程中刻蝕藥液對有源層的損傷。利用該方法我們成功制備了BCE結(jié)構(gòu)的IGZOTFT,偏光顯微鏡結(jié)果證明有源層并無明顯損傷,器件也表現(xiàn)出了較好的電學性能。此種方法不受限于氧化物半導體材料的種類,無需額外的圖形化步驟,為低成本制備MOTFT陣列開辟了一種新的途徑。前面部分主要從器件角度提高MO-TFT的性能,雖然在穩(wěn)定性方面取得了一定的效果,但在遷移率的進一步提高方面遇到了困難,需要設(shè)計和開發(fā)新的氧化物半導體材料才能突破遷移率的限制。因此,我們通過理論分析和計算驗證,成功研制出了高遷移率Zr-In-O材料體系,并利用該材料作為有源層制備了TFT,器件遷移率高達38.8 cm2V-1s-1,電流開關(guān)比為3×108,亞閾陡度為0.37 V/decade,在VG=±20 V持續(xù)1 h閾值電壓漂移分別為1.03 V和2.13 V,而且整個器件的最高工藝溫度為150 oC,表明該材料在柔性TFT中有較大的應用潛力;為了進一步提高器件穩(wěn)定性,我們采用了Zr InO/IGZO雙層有源層結(jié)構(gòu),所制備的器件遷移率達36.2 cm2V-1s-1,電流開關(guān)比為3.5×109,亞閾陡度為0.09 V/decade,此外,器件表現(xiàn)了優(yōu)異的偏壓穩(wěn)定性,在持續(xù)1 h的VG=±20 V的偏壓下的閾值電壓漂移分別只有0.2 V和0.97 V。由于前一部分Zr InO-TFT的最高工藝溫度只有150 oC,我們考慮進一步將其制作在塑料襯底上以實現(xiàn)柔性Zr InO-TFT。但塑料襯底通常表面粗糙、水氧阻隔能力也較差,針對這一問題,我們采用無機-有機-無機(SiNx/Photoresist/SiNx)相結(jié)合制備了多層阻隔結(jié)構(gòu)的緩沖層,成功在PEN襯底上實現(xiàn)了柔性ZrInO-TFT的制備,所制備的柔性TFT表現(xiàn)了良好的電學性能,其飽和遷移率達22.6 cm2V-1s-1,亞閾陡度為0.39 V/decade,電流開關(guān)比2.51×107,最小可彎曲的曲率半徑為20 mm,展示了其在下一代柔性AMOLED顯示的巨大應用前景。
[Abstract]:Thin film transistors (TFT) are the core components of the LCD display (LCD) and the active matrix organic light-emitting diode (AMOLED) display backplane. The TFT based on the metal oxide semiconductor active layer has high mobility, low cost, low process temperature, good uniformity, the transparency of visible light and compatibility with the a-Si TFT production line. As one of the TFT technologies suitable for driving AMOLED, with the development of flat panel display in the direction of ultra high resolution, super size and flexibility, the performance and process temperature of metal oxide TFT (MO-TFT) are higher. Therefore, the mobility of MO-TFT (20 cm2V-1s-1) and stability should be further improved to meet the high resolution. On the other hand, it is necessary to further reduce the process temperature of preparing MO-TFT to match the flexible substrate. In this paper, first of all, starting from the device, a method is proposed for the first time to improve the performance of the MO-TFT through the modification of the solvent to the channel of the trench. The adsorption / desorption effect of water and oxygen molecules on the oxide back channel seriously affects the performance of MO-TFT; the surface of the back channel can be significantly reduced after the modification of the InGaZn O (IGZO) TFT back channel with solvent, which greatly inhibits the adsorption / desorption of water and oxygen on the surface of the ditches and effectively reduces the surface of the trench channel. On the basis of the above solvent treatment, in order to further protect the oxide back channel from the atmosphere, the inorganic passivation layer is usually added to improve the stability of the device on the basis of the above solvent treatment, but the preparation of the inorganic passivation layer usually causes the plasma injury to the active layer. Damage or hydrogen doped, which seriously deteriorates the performance of the device. Based on this problem, based on the previous work, we use organic molecules to form a dense and orderly layer of self assembled molecular layer on the surface of the oxide back channel, successfully realizing the preparation of high performance IGZO-TFT, the mobility of the device is 26.6 cm2V-1s-1, the threshold voltage is 0 V, and the hysteresis is magnetic. The line 0.06 V, the threshold voltage drift only 0.14 V. under the continuous 2.5 h bias voltage (VG=10 V), the method avoids the damage to the active layer by the passivation layer; moreover, the manufacturing cost is greatly reduced because of no vacuum equipment. Furthermore, we further study the effect of the length of the alkyl chain in the self assembled subunit on the effect of the device modification. The related mechanism is explored, which provides theoretical guidance for the future selection of a suitable self assembled molecule for the preparation of higher performance MO-TFT. The back channel of the self assembled monolayer modified oxide can greatly improve the performance of the device, but the modified oxide semiconductor layer is sensitive to acid, and is easy to be used for the etching source and the leakage pole. The etching barrier (ESL) still needs to be added to protect the channel from etching. In order to realize the TFT (BCE TFT) without ESL, we use Au nanoparticles to modify the oxide semiconductor surface. The corrosion resistance of the film is remarkable after the introduction of Au nanoparticles on the oxide semiconductor thin film. It is enhanced effectively to reduce the graphical source and the damage to the active layer by the etching solution in the process of leakage. Using this method, we have successfully prepared the IGZOTFT of the BCE structure. The polarizing microscope results show that the active layer has no obvious damage, and the device also shows good electrical properties. This method is not limited to the type of oxide semiconductor material. There is no need for additional graphical steps to create a new way for low cost MOTFT arrays. The previous part mainly improves the performance of MO-TFT from the device angle. Although it has achieved a certain effect in stability, it is difficult to further improve the mobility, and new oxide semiconductor materials need to be designed and developed. In order to break through the limitation of mobility, we have successfully developed a high mobility Zr-In-O material system by theoretical analysis and calculation, and using this material as an active layer to prepare TFT, the mobility of the device is up to 38.8 cm2V-1s-1, the current switch ratio is 3 x 108, the subthreshold steepness is 0.37 V/decade, and the 1 h threshold voltage of VG= + 20 V is sustained. The drift is 1.03 V and 2.13 V respectively, and the maximum process temperature of the whole device is 150 oC, which indicates that the material has great potential application in the flexible TFT. In order to further improve the stability of the device, we adopt the Zr InO/IGZO double layer active layer structure, the mobility of the device is 36.2 cm2V-1s-1, the current switch ratio is 3.5 x 109, subthreshold The steepness is 0.09 V/decade, in addition, the device shows excellent bias stability. The threshold voltage drift of the threshold voltage is only 0.2 V and 0.97 V. under the VG= + 20 V bias voltage of 1 h. The maximum process temperature of the previous part of Zr InO-TFT is only 150 oC. We consider making it more flexible on the plastic substrate to realize the flexible Zr InO-TFT. but plastic. The material substrate is usually rough and water oxygen barrier ability is poor. In view of this problem, we use inorganic organic inorganic (SiNx/Photoresist/SiNx) to prepare the buffer layer of multilayer barrier structure. The flexible ZrInO-TFT is successfully prepared on the PEN substrate. The flexible TFT shows good electrical performance, and its saturated migration is saturated. The shift rate is 22.6 cm2V-1s-1, the subthreshold steepness is 0.39 V/decade, the current switch ratio is 2.51 x 107, the minimum curvature radius is 20 mm, which shows its great application prospect in the next generation of flexible AMOLED display.
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN321.5

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本文編號：2039727