基于叠层结构的非晶铟镓锌氧(a一IGZO)薄膜晶体管的性能优化研究

摘要

非晶铟镓锌氧(Amorphous Indium Gallium Zinc Oxide,α-IGZO)薄膜具有迁移率高、均匀性好等特点,并且在可见光波长范围有较高的光透射率,可以实现制备全透明以及柔性显示器件,是新一代氧化物半导体薄膜晶体管中应用最广泛,也是最具潜力的有源层材料.本论文采用直流磁控溅射方法制备了叠层非晶IGZO薄膜(氮掺杂IGZO/非晶IGZO/氮掺杂IGZO),将其作为沟道层制备了IGZO薄膜晶体管(TFT),并对器件电学特性和稳定性进行了研究,取得了如下研究成果:1)N掺杂的顶部IGZO薄膜可以有效的阻挡水分子的吸附,并且N掺杂底部IGZO薄膜可以明显降低介质层与沟道层界面陷阱密度;2)直流磁控溅射方法原位掺杂N元素制备叠层IGZO薄膜有着良好的电学性能,通过对N掺杂薄膜厚度的合理搭配,得到的叠层沟道结构TFT具有很好的电学特性,即沟道载流子迁移率达到27.9cm2/Vs,亚阈值摆幅为0.21V/decade,是非掺杂IGZO薄膜TFT器件的1/3,电流开关比达到3.1xl07;3)研究了不同沟道结构IGZO TFT器件在正向栅压应力(PGS,Positive Gate bias Stress)下阈值电压偏移的物理过程.对于界面陷阱或绝缘层内陷阱较多的α-IGZO TFT器件,在PGS下阈值电压正向偏移主要是由于栅绝缘层内陷阱或界面陷阱对沟道电子的捕获,被捕获的电子积累在栅绝缘层内屏蔽了部分栅压,为了使得TFT器件到达正常的开启电流,需要更大的栅压来产生更多的沟道电子.在这种俘获机制中,测试的器件转移特性曲线随着应力时间的增大向正方向平移.随着应力时间的累积,其捕获电子的总数不断增加,阈值电压正向偏移的幅度也越来越大.