【摘 要】
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氧化锌薄膜晶体管（ZnO-TFT）由于具有低温下大面积制备、光学透明度高、丰富、无毒、低制造成本等优点,所以在液晶显示领域引起了国内外的广泛关注。ZnO材料中存在大量与氧有关的缺陷和高密度晶界,这会增加ZnO-TFT有源层与介电层界面处的缺陷态密度和电子散射,从而导致较低的饱和迁移率和电流开关比,同时也不利于器件的偏压稳定性。而氢掺杂是一种有效改良ZnO-TFT的方法,氢掺杂可以导致薄膜中氧相关缺
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氧化锌薄膜晶体管（ZnO-TFT）由于具有低温下大面积制备、光学透明度高、丰富、无毒、低制造成本等优点,所以在液晶显示领域引起了国内外的广泛关注。ZnO材料中存在大量与氧有关的缺陷和高密度晶界,这会增加ZnO-TFT有源层与介电层界面处的缺陷态密度和电子散射,从而导致较低的饱和迁移率和电流开关比,同时也不利于器件的偏压稳定性。而氢掺杂是一种有效改良ZnO-TFT的方法,氢掺杂可以导致薄膜中氧相关缺陷态的减少,改善薄膜的粗糙度,有效提高薄膜中的载流子浓度,并且氢掺杂不会提升TFT器件的制造成本。目前文献中大部分采用氢等离子体处理薄膜表面以达到氢掺杂目的,属于二次处理工艺。本论文在室温下通过在溅射气氛中通入Ar/H2混合气来进行氢掺杂,制备工艺简单,并且无后续的退火处理。主要研究内容如下:研究了不同氢气流量对ZnO:H-TFT器件性能产生影响的原因。研究发现氢在ZnO薄膜中起到缺陷钝化剂和浅施主的作用,一方面提供合适的载流子浓度,另一方面减少了界面陷阱态密度,并且氢等离子体可以刻蚀薄膜表面,从而降低薄膜的粗糙度,以此来提高TFT性能。当H2/（Ar+H2）=0.1%时,ZnO:H-TFT器件最佳性能参数为:μsat=5.17cm2/V s,Ion/Ioff=4.98×106,SS=0.76 V/Dec,Vth=6.03 V。我们的实验结果表明溅射气氛中引入氢气实现氢掺杂是一种简单有效提高ZnO-TFT性能的手段。但是过量的氢气的加入会造成载流子浓度过高,引起器件的关态电流增加,对器件性能参数产生不利的影响。相比ZnO-TFT,Mg0.03Zn0.97O-TFT中Mg掺杂可以增加VO的形成能从而导致作为施主的VO减少,结果器件的关态电流减小,比前者适合进行氢掺杂研究。在气体流量为H2/（Ar+H2）=0.3%时,Mg0.03Zn0.97O:H-TFT获得最佳性能参数:μsat=6.33 cm2/V s,Ion/Ioff=4.46×105,SS=1.21 V/Dec,Vth=4.25 V。相比ZnO:H-TFT最优性能器件,Mg0.03Zn0.97O:H-TFT最优器件的饱和迁移率增加,阈值电压减小,同时其偏压稳定性变好,正负偏压稳定性相比前者分别减小0.5 V和1.3 V。造成以上结果的原因是Mg/H共掺可以有效造成氧相关缺陷的减少,因此电子的有效质量和受到的散射减小,同时载流子浓度被调整到适度水平。问题是器件的关态电流有所增加,开关比减小,而且亚阈值摆幅也偏大。相比Mg0.03Zn0.97O-TFT,由于Mg含量的增加Mg0.06Zn0.94O-TFT的关态电流更低,也更适合进行氢掺杂研究。当H2/（Ar+H2）=0.39%时,Mg0.06Zn0.94O:H-TFT的器件性能参数最佳:μsat=8.11 cm2/V s,Ion/Ioff=6.17×106,SS=0.42 V/Dec,Vth=2.78 V,正负偏压稳定性的数值为0.5 V和1 V。器件的各项性能明显好于Mg0.03Zn0.97O:H-TFT最优器件和ZnO:H-TFT最优器件。可见,合适比例的Mg/H共掺,确实可以有效提高ZnO基TFT器件的性能。透过光谱测试表明,我们的有源层薄膜适合制备高性能的Mg ZnO:H-TFT透明器件。
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