氧化铟基薄膜晶体管的溶液法制备与性能提升的研究

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1、上海大学硕士学位论文中图分类号：单位代号：10280密级：学号：15721927硕士学位论文SHANGHAIUNIVERSITYMASTER’SDISSERTATION氧化铟基薄膜晶体管的溶题液法制备与性能提升的研目究作者赵成雨学科专业材料学导师李俊完成日期2018.04I上海大学硕士学位论文姓名：赵成雨学号：15721927论文题目：氧化铟基薄膜晶体管的溶液法制备与性能提升的研究II上海大学硕士学位论文姓名：赵成雨学号：15721927论文题目：氧化铟基薄膜晶体管的溶液法制备与性能提升的研究III上海大学硕士学位论文上海大学工学硕士学位论文氧化铟基薄膜晶体管的溶液法制备与性能提升的研究姓

2、名：赵成雨导师：李俊学科专业：材料学上海大学材料科学与工程学院2018年4月IV上海大学硕士学位论文ADissertationSubmittedtoShanghaiUniversityfortheDegreeofMasterinEngineeringTheResearchofFabricationandEnhancedPerformanceforSolution-processedIndiumOxideThinFilmTransistorsMACandidate：ChengyuZhaoSupervisor：JunLiMajor：MaterialScienceMaterialsCollege

3、,ShanghaiUniversityApril,2018V上海大学硕士学位论文摘要氧化物薄膜晶体管具有迁移率高、透过率高，制备工艺简单等特点，符合现代显示技术对薄膜晶体管的要求。随着科学技术的发展，诸多的氧化物薄膜晶体管的制备工艺被开发应用。与磁控溅射、原子层沉积、分子束外延法等其他制备工艺法相比，溶液法易于实现制造大面积、低成本、透明、多组分的薄膜。然而溶液法制备的氧化物薄膜晶体管存在迁移率较低、关态电流较大和稳定性较差等关键性技术难题，这些限制了它在平板显示器中的应用。同时本文以乙二醇甲醚为溶剂，使用溶液法制备In2O3薄膜晶体管。研究发现，In2O3薄膜晶体管具有较大的关态电流和较

4、差的稳定性。为了优化In2O3薄膜晶体管的电学性能和稳定性，本文提出Mg、La等金属阳离子抑制In2O3薄膜中氧空位的方法，改善器件的界面缺陷，建立掺杂量、氧空位及性能稳定性之间的关联。为进一步降低薄膜晶体管的阈值电压，提升工艺兼容性，本文引入溶液法制备的高介电常数绝缘层，探索高介电常数绝缘层与有源层之间的界面特性。此外，针对乙二醇甲醚有机溶剂对环境不友好，需要高温退火工艺等技术难题。本研究采用绿色环保安全的水溶液法制备了新型In2O3薄膜晶体管，探索水溶液制备的InYO薄膜晶体管的电学性能以及稳定性提升的物理机制。本论文详细研究内容和创新点如下：1.溶液法制备了Mg掺杂的In2O3薄膜晶

5、体管。研究发现，随着Mg掺杂量的增加，MgInO薄膜晶体管的电学性能和稳定性都得到了很大的优化。对于0.75mol％Mg掺杂浓度的MgInO薄膜晶体管显示出优异的电学性能（13.77cm2V-1s-1的场效应迁移率，0.85V/dec.的亚阈值摆幅和2.84V的阈值电压）和较好的温度和正偏压稳定性。MgInO薄膜晶体管的性能提高主要归因于Mg的掺杂减少氧空位，使得缺陷态密度减小。2.溶液法制备了基于ZrO2绝缘层LaInO薄膜晶体管。结果显示，基于ZrO2绝缘层的In2O3薄膜晶体管有较高的迁移率，但是In2O3薄膜晶体管具有较差的温度稳定性和栅极偏压稳定性。因此，使用La元素掺杂来优化I

6、n2O3薄膜晶体管的性能。随着La掺杂量的增加，饱和迁移率从48.8降低到32.7cm2V-1s-1，阈值电压由1.12增加到1.76V。当La掺杂浓度为VI上海大学硕士学位论文10mol％时，LaInO薄膜晶体管有一个最小的亚阈值摆幅（0.12V/dec.）。同时，稳定性也得到了明显提高。因为La-O较强的键合能力会导致氧空位的减少。XPS的分析结果也证明了这个原因。3.基于YAlO高介电常数绝缘层溶液法制备及TFT性能提升研究。研究发现，通过掺入Al元素可以增强Y2O3绝缘层的耐湿性，降低了绝缘层和有源层之间界面的粗糙度，减少了界面的缺陷态密度。Y2O3薄膜的RMS为0.76nm，呈现

7、较大的表面粗糙度。随着Al掺杂浓度由5mol%（Al/（Y+Al））变化至15mol%时，RMS由0.52减少至0.25nm。基于15mol%的Al掺杂的Y2-1-12O3绝缘层的In2O3薄膜晶体管具备了19.5cmVs的迁移率，1.58V的低阈值电压和较好的器件稳定性。4.采用健康、安全和环保的制备方法—水溶液法，低温制备了新型InYO薄膜晶体管，并详细讨论了Y元素的掺杂量对In2O3薄膜晶体管的电学性能和稳定性的影