高k金属氧化物薄膜及晶体管的制备与研究

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20世纪平板显示技术的出现,把人类带入了飞速发展的信息社会,人类社会从此发生了质的飞跃。而平板显示的核心元件就是薄膜晶体管(TFT),它的性能直接决定了显示器的显示质量。随着半导体技术的迅速发展,显示器正朝着高分辨率、大面积、低成本等方向发展。采用传统的二氧化硅(SiO2)作为TFT的介电层,为提高器件载流子迁移率,常常采用减小厚度的方法来增大电容密度。当其厚度减小到一定程度时,会出现量子隧穿效应,漏电流急剧增加,使SiO2失去绝缘性。因此随着时代的进步定会推动高介电常数(k)材料替代SiO2做为介电层,获得相同电容密度时,采用高k材料作为介电层其厚度远远大于SiO2介电层厚度,这就有效的减小了量子隧穿效应,减小了介电层的漏电流。本文首先介绍了金属氧化物薄膜晶体管的发展历程,详细描述了TFT的工作原理、性能参数及其应用。实验部分主要研究了氧化镁(MgO),氧化钛(TiO2)和氧化铝(Al2O3)三种介电材料。采用溶胶凝胶的方法制备了MgO薄膜,探究了不同退火温度(300,400,500和600℃)对薄膜性质的影响,并对不同退火温度的MgO薄膜进行了热重、X射线衍射和原子力显微镜等的表征。为研究MgO介电层在TFT中的应用,溶液法制备了氧化铟(In2O3)为沟道层的薄膜晶体管。实验表明,500℃下退火2小时的MgO薄膜具有极小的漏电流(3.5×10-10 A/cm2)和极大的电容密度(370 nF/cm2)。基于此条件下的In2O3 TFT同样具有良好的电学性质,电流开关比达到107,载流子迁移率为5.48 cm2/Vs。结合TiO2、Al2O3介电材料的优缺点,制备了双层介电层薄膜,并将其应用于静电纺丝制备的In2O3 TFT中。实验结果显示,所得双层介电层薄膜结合了Al2O3和TiO2的双重优点,电容密度达到650 nF/cm2,漏电流只有4.4×10-9 A/cm2。静电纺丝制备的TFT操作电压只有4 V,开关比达到108。
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