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[学位]

IGZO透明导电薄膜的制备和表征

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Author:

范丽娜 (范丽娜.)

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Abstract:

目前,显示器向着大面积、高清晰的方向发展,TFT-LCD和AMOLED的市场竞争力愈发凸显,依靠原来广泛应用的氢化非晶硅(a-Si TFT)或多晶硅(p-Si TFT)很难满足显示器发展对薄膜晶体管的要求。此外,近年来透明柔性显示技术也是频频推出。由于IGZO薄膜具有透明、相对较高的载流子迁移率、制备工艺温度低等各方面的优点受到广泛关注,其作为薄膜晶体管沟道层材料在显示器中的应用具有非常广阔的前景。沟道层作为薄膜晶体管的关键层,薄膜质量和性能对薄膜晶体管的最终器件性能至关重要。本文采用射频磁控溅射的方法,用IGZO靶材(In:Ga:Zn=1:1:1),分别在玻璃和单晶硅基底上沉积IGZO薄膜,从改变薄膜制备条件提高IGZO成膜质量及通过成膜后退火处理改善薄膜性能等方面出发进行优化,使得IGZO薄膜的材料性能和电学性能均得到改善。本文研究了沉积条件对IGZO薄膜的影响,我们选取了其中两个重要影响因素进行研究,首先,沉积气氛中氧气含量——即O2/(O2+Ar),对薄膜光学性能和电学性能的影响。结果表明,实验范围内不同氧气气氛下沉积薄膜均为非晶态,且IGZO薄膜的透光率均在80%以上,但氧气含量升高使得IGZO薄膜迅速由半导电转变为半绝缘态;第二,基底温度对IGZO薄膜的影响,结果表明,实验范围内升高基底温度IGZO仍然保持非晶态,且IGZO薄膜的电学性能得到改善,对于基底温度400℃、纯Ar条件下沉积IGZO薄膜,其面电阻降低到2.95x103Ω/□、载流子浓度达到4.06x1019cm-3、迁移率为10.42 cm-2/Vs。然后,我们研究了不同温度的真空退火处理对不同氧气气氛沉积IGZO薄膜的电学性能的影响,实验结果表明室温沉积薄膜退火后性能急剧升高且与薄膜沉积条件无关,即使退火温度达到500℃,IGZO薄膜依然保持非晶态;以纯Ar条件下沉积IGZO薄膜为例进一步探究退火温度对IGZO薄膜材料性能的影响,发现随着退火温度升高薄膜表面形貌得到改善、表面粗糙度趋于减小;退火后薄膜局部原子排布没有明显变化;退火后氧元素结合状态改变,氧空位增多使得有效载流子浓度升高;且300℃退火处理IGZO薄膜具有最佳的综合性能,其面电阻约为7.12x102Ω/□,载流子浓度达到6.28x1019cm-3,载流子迁移率达到12.4 cm-2/Vs,且IGZO在可见光范围内的透光率达到90%以上。继续升高真空退火处理的温度,发现600℃及以上的高温退火使得IGZO薄膜出现晶化,表面形貌恶化,当退火温度达到800℃以上IGZO薄膜元素成分出现分布不均匀现象,同时硅基底扩散进入薄膜。我们对300℃沉积IGZO薄膜进行真空退火处理,结果表明退火后薄膜性能改善不大,且过高的退火温度使得其性能恶化。最后,我们对比了升高基底温度和成膜后相同温度退火处理两种方法对纯Ar沉积IGZO薄膜的影响,分析表明两者IGZO薄膜的影响机理不完全相同,退火处理改变薄膜中氧元素的结合状态,使得薄膜载流子浓度增加显著;而增加基底温度使得IGZO薄膜中的结构缺陷减少,这使得载流子迁移率升高明显。总之,升高基底温度后IGZO薄膜的综合性能更佳。

Keyword:

IGZO 电学性能 基底温度 射频磁控溅射 退火温度

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  • [ 1 ] 西安交通大学材料科学与工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学硕士

Mentor: 宋忠孝

Year: 2013

Language: Chinese

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30 Days PV: 18

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