溶胶-凝胶法制备氧化锌薄膜晶体管的研究
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
图 1-1 TFT 有源矩阵驱动液晶显示原理图
1
华中科技大学硕士学位论文
市场上的 TFT 主要包括非晶硅 TFT（a-Si TFT）、多晶硅 TFT（p-Si TFT）和有机 物 TFT（OTFT）三种。a-Si TFT 能够实现大面积稳定显示，而且易于在低温条件下 制备，是目前使用最为广泛的技术。但是 a-Si 不透明，光不能全部通过像素单元；为 了获得足够的亮度，需要增加背光源的强度，从而增加功耗。此外，a-Si 的禁带宽度 为 1.7 eV，在可见光的照射下会产生额外的光生载流子，这会使得 TFT 的性能恶化。 所以每一个像素单元中的 TFT 必须增加不透明的金属掩膜版，以此阻挡光线的照射。 这将大大增加工艺的复杂程度，从而提高制作成本。p-Si TFT 的主要特点是场效应迁 移率高，响应速度快，光敏感性弱和抗干扰能力强等等，但缺点是关态泄露电流较大， 制作成本也不低。OTFT 的主要优点是制作温度较低，而且柔韧性很好，但缺点是场 效应迁移率低、响应速度慢[3]。
Key words: ZnO; SiO2; Thin Film Transistors; Sol-gel Technique
II
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。
The basic properties and fabrication processes of ZnO and SiO2 films are reviewed in this paper. The sol-gel technique is adopted to deposite the SiO2 and ZnO films. The growth of SiO2 film particles is basically completed at 485 ℃, while the growth of ZnO film grains and the formation of crystal orientations is completed at 500 ℃ through the Differential Thermal Analysis. The influence of preheating temperature to the crystal orientations is discussed by the X-ray Diffractometer. The grain size on different substrates is compared via the Scanning Electronic Microscopic. The tranmittance of films and the optical band gap are studied by the Ultraviolet-visible Spectrophotometer.
1.2.2 ZnO 薄膜的制备
目前，已经开发出多种制备 ZnO 薄膜的方法，来控制薄膜的结晶取向、导电特性 及光学性能，包括溅射法[6]、脉冲激光沉积法[7]、分子束外延法[8]、化学气相沉积法[9] 和溶胶-凝胶法[10]等。下面具体介绍一下各种制备方法的原理和优缺点。
（一）溅射法 溅射法的原理是利用离子在电场中加速后具有一定的动能的特点，通过电场或磁
本文综述了氧化锌和二氧化硅薄膜的基本性质及制备方法。采用溶胶-凝胶法分别 制备了氧化锌和二氧化硅薄膜。通过热重-差热分析得出，二氧化硅薄膜颗粒的生长在 485 ℃左右基本完成，而氧化锌薄膜晶粒的生长和晶向的形成在 500 ℃左右基本完成。 通过 X 射线衍射分析，探讨了不同预热温度对 ZnO 薄膜晶粒取向的影响。通过扫描 电子显微镜，对比了不同衬底对薄膜晶粒大小的影响。通过紫外-可见分光光度计，分 析了不同薄膜层的透过率，拟合了薄膜的光学禁带宽度。
禁带宽度 (eV)
3.37
激子结合能(meV)
60
本征载流子浓度(cm-3)
106
电子有效质量(×m0)
0.24
300 K 下 n 型 ZnO 电子霍尔迁移率(cm2V-1s-1)Fra bibliotek200
空穴有效质量(×m0) 300 K 下 p 型 ZnO 空穴霍尔迁移率(cm2V-1s-1)
0.59 5~50
注：m0=9.11×10-31 kg
1.2.1 ZnO 的基本性质
氧化锌（ZnO）是一种Ⅱ-Ⅵ族宽禁带、直接带隙化合物半导体材料，在常温常压 下的稳定相为纤锌矿结构[4]，如图 1-2 所示。ZnO 的晶体结构可以看成是由 Zn 原子的 六角密堆格子和 O 原子的六角密堆格子相互套构而成。
图 1-2 ZnO 六角纤锌矿结构球形堆积示意图
The fabrication of ZnO TFTs and the extraction of the parameters are investigated. ZnO and SiO2 films are dip-coated on ITO/glass substrates via the sol-gel technique to serve as the channel and gate-dielectric layer, respectively, and the transmittance of the ZnO/SiO2 films is as high as 80 %. Then, Au are sputtered on the films as drain/source electrodes. By the characterization for semiconductor devices, the TFT is operated in the enhanced mode, and the channel is n-type. The on/off current radio is about 104, the threshold voltage is about 3 V, and the mobility is calculated at 6.95 cm2/Vs.
3
华中科技大学硕士学位论文
不适合于大面积制膜。 （二）脉冲激光沉积
脉冲激光沉积的原理如下：高功率的脉冲激光束经过聚焦后进入真空室照射靶 材，激光束使靶材表面产生很高的温度，并使其气化产生等离子体，其中所包含的原 子、离子和原子团以一定的动能运动到衬底，从而实现在衬底上薄膜的沉积。
学位论文作者签名：
日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
有源矩阵驱动技术是指在每一个液晶显示单元上制造一个非线性的有源器件，使 每一个像素可以独立驱动，从而实现高驱动路数的视频画面。有源矩阵方式主要以薄 膜晶体管(Thin Film Transistor, TFT)驱动为主，也称为薄膜晶体管寻址液晶显示器。 TFT 是一种利用半导体薄膜材料作为有源沟道层而制成的绝缘栅型场效应晶体管。利 用 TFT 还可以进行透射型显示。TFT 驱动液晶显示的原理如图 1-1 所示[2]：
华中科技大学 硕士学位论文 溶胶-凝胶法制备氧化锌薄膜晶体管的研究 姓名：黄宜平 申请学位级别：硕士 专业：材料物理与化学 指导教师：张道礼 2011-01-14
华中科技大学硕士学位论文
摘要
薄膜晶体管是一种利用栅极与源漏电极之间的电场来改变半导体薄膜材料导电 能力的绝缘栅型场效应晶体管，是有源矩阵液晶显示技术的核心元件。氧化锌是一种 宽禁带、直接带隙化合物半导体材料，在可见光区具有很高的透过率，室温下的电子 迁移率较高，且光敏感性弱，制备的器件性能稳定。
总之，作为有源矩阵液晶显示器（AM-LCD）和其他显示技术的像素开关，要求 TFT 在可见光波段具有较高的可见光透过率、沟道迁移率和电流开关比。因此，发展 TFT 技术的关键在于寻找新型的导电沟道材料，同时具备较高的场效应迁移率和可见 光透过率，且室温性能稳定，适用于低成本、大面积的制造工艺。
1.2 ZnO 的性质及其应用
2
华中科技大学硕士学位论文
在常温常压下，ZnO 为白色晶体或粉末，高温下呈黄色。ZnO 无毒、无臭且无味，
能溶于酸、氢氧化钠以及氨水等溶液，不溶于水、苯和乙醇等有机物。ZnO 的主要物
理参数如表 1-1 所示[5]。
表 1-1 ZnO 的部分物理参数
参数名称
参数值
300 K 稳定结构
六角纤锌矿结构
本文重点研究了氧化锌薄膜晶体管的制备过程及参数提取方法。采用溶胶-凝胶法 在 ITO 玻璃衬底上制备了氧化锌和二氧化硅薄膜，所得二氧化硅/氧化锌复合薄膜的 可见光透过率达到 80 %以上。然后采用磁控溅射法制备 Au 源漏电极，形成了底栅结 构的薄膜晶体管。通过半导体器件性能表征，所得薄膜晶体管为 n 沟道器件，工作模 式为增强型，电流开关比约为 104，阈值电压约为 3 V，沟道迁移率约为 6.95 cm2/Vs。
关键词：氧化锌 二氧化硅 薄膜晶体管 溶胶-凝胶法
I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
Thin film transistor (TFT) is a kind of insulated-gate field-effect transistors, which changed the conductivity of the semiconductors via the electric field between the source and drain electrodes. TFT is the key component in the active matrix liquid crystal display technology. ZnO is a wide-band and direct gap compound semiconductor with a high transmittance in the visible spectrum. The electron mobility in ZnO is large at room temperature, and the light sensitivity is weak; so that, the obtained device is stable.
保密□ ，在_____年解密后适用本授权书。 本论文属于
不保密□。
（请在以上方框内打“√”）
学位论文作者签名：
日期： 年 月 日
指导教师签名：
日期： 年 月 日
华中科技大学硕士学位论文
1 绪论
1.1 研究背景
电子显示器件，是指将各种电子装置输出的电气情报信息，转换为人的视觉可辨 知的光情报信息，并将这些光信息变换为文字、图像等形式显示出来的器件。电子显 示器件是连接人与机器的纽带，在当今的信息社会中，其作用显得越来越重要。电子 显示器件可以分为主动发光型和非主动发光型。液晶显示器（LCD）是一种非主动发 光型电子显示器，其主要构成部件有：液晶材料、透明电极基板、偏振片、反射板、 滤光器、背照光源和驱动电路等。LCD 具有薄型、轻量、低功耗和低工作电压等特点， 在各种平板电子显示器件中一直充当主角[1]。
场将离子引向靶材，在离子能量合适的情况下，在与靶材表面原子的碰撞过程中，入 射的离子将轰击靶材物质并将其溅射出来。这些被溅射出来的原子具有一定的动能， 并且会沿着一定的方向运动到衬底，从而实现在衬底上薄膜的沉积。
溅射法的主要优点是：（1）所获薄膜结构致密，纯度高；（2）薄膜和衬底的附着 力好；（3）厚度容易控制。其缺点是：（1）真空设备复杂，成本昂贵；（2）效率较低，
1
华中科技大学硕士学位论文
市场上的 TFT 主要包括非晶硅 TFT（a-Si TFT）、多晶硅 TFT（p-Si TFT）和有机 物 TFT（OTFT）三种。a-Si TFT 能够实现大面积稳定显示，而且易于在低温条件下 制备，是目前使用最为广泛的技术。但是 a-Si 不透明，光不能全部通过像素单元；为 了获得足够的亮度，需要增加背光源的强度，从而增加功耗。此外，a-Si 的禁带宽度 为 1.7 eV，在可见光的照射下会产生额外的光生载流子，这会使得 TFT 的性能恶化。 所以每一个像素单元中的 TFT 必须增加不透明的金属掩膜版，以此阻挡光线的照射。 这将大大增加工艺的复杂程度，从而提高制作成本。p-Si TFT 的主要特点是场效应迁 移率高，响应速度快，光敏感性弱和抗干扰能力强等等，但缺点是关态泄露电流较大， 制作成本也不低。OTFT 的主要优点是制作温度较低，而且柔韧性很好，但缺点是场 效应迁移率低、响应速度慢[3]。
Key words: ZnO; SiO2; Thin Film Transistors; Sol-gel Technique
II
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。
The basic properties and fabrication processes of ZnO and SiO2 films are reviewed in this paper. The sol-gel technique is adopted to deposite the SiO2 and ZnO films. The growth of SiO2 film particles is basically completed at 485 ℃, while the growth of ZnO film grains and the formation of crystal orientations is completed at 500 ℃ through the Differential Thermal Analysis. The influence of preheating temperature to the crystal orientations is discussed by the X-ray Diffractometer. The grain size on different substrates is compared via the Scanning Electronic Microscopic. The tranmittance of films and the optical band gap are studied by the Ultraviolet-visible Spectrophotometer.
1.2.2 ZnO 薄膜的制备
目前，已经开发出多种制备 ZnO 薄膜的方法，来控制薄膜的结晶取向、导电特性 及光学性能，包括溅射法[6]、脉冲激光沉积法[7]、分子束外延法[8]、化学气相沉积法[9] 和溶胶-凝胶法[10]等。下面具体介绍一下各种制备方法的原理和优缺点。
（一）溅射法 溅射法的原理是利用离子在电场中加速后具有一定的动能的特点，通过电场或磁
本文综述了氧化锌和二氧化硅薄膜的基本性质及制备方法。采用溶胶-凝胶法分别 制备了氧化锌和二氧化硅薄膜。通过热重-差热分析得出，二氧化硅薄膜颗粒的生长在 485 ℃左右基本完成，而氧化锌薄膜晶粒的生长和晶向的形成在 500 ℃左右基本完成。 通过 X 射线衍射分析，探讨了不同预热温度对 ZnO 薄膜晶粒取向的影响。通过扫描 电子显微镜，对比了不同衬底对薄膜晶粒大小的影响。通过紫外-可见分光光度计，分 析了不同薄膜层的透过率，拟合了薄膜的光学禁带宽度。
禁带宽度 (eV)
3.37
激子结合能(meV)
60
本征载流子浓度(cm-3)
106
电子有效质量(×m0)
0.24
300 K 下 n 型 ZnO 电子霍尔迁移率(cm2V-1s-1)Fra bibliotek200
空穴有效质量(×m0) 300 K 下 p 型 ZnO 空穴霍尔迁移率(cm2V-1s-1)
0.59 5~50
注：m0=9.11×10-31 kg
1.2.1 ZnO 的基本性质
氧化锌（ZnO）是一种Ⅱ-Ⅵ族宽禁带、直接带隙化合物半导体材料，在常温常压 下的稳定相为纤锌矿结构[4]，如图 1-2 所示。ZnO 的晶体结构可以看成是由 Zn 原子的 六角密堆格子和 O 原子的六角密堆格子相互套构而成。
图 1-2 ZnO 六角纤锌矿结构球形堆积示意图
The fabrication of ZnO TFTs and the extraction of the parameters are investigated. ZnO and SiO2 films are dip-coated on ITO/glass substrates via the sol-gel technique to serve as the channel and gate-dielectric layer, respectively, and the transmittance of the ZnO/SiO2 films is as high as 80 %. Then, Au are sputtered on the films as drain/source electrodes. By the characterization for semiconductor devices, the TFT is operated in the enhanced mode, and the channel is n-type. The on/off current radio is about 104, the threshold voltage is about 3 V, and the mobility is calculated at 6.95 cm2/Vs.
3
华中科技大学硕士学位论文
不适合于大面积制膜。 （二）脉冲激光沉积
脉冲激光沉积的原理如下：高功率的脉冲激光束经过聚焦后进入真空室照射靶 材，激光束使靶材表面产生很高的温度，并使其气化产生等离子体，其中所包含的原 子、离子和原子团以一定的动能运动到衬底，从而实现在衬底上薄膜的沉积。
学位论文作者签名：
日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
有源矩阵驱动技术是指在每一个液晶显示单元上制造一个非线性的有源器件，使 每一个像素可以独立驱动，从而实现高驱动路数的视频画面。有源矩阵方式主要以薄 膜晶体管(Thin Film Transistor, TFT)驱动为主，也称为薄膜晶体管寻址液晶显示器。 TFT 是一种利用半导体薄膜材料作为有源沟道层而制成的绝缘栅型场效应晶体管。利 用 TFT 还可以进行透射型显示。TFT 驱动液晶显示的原理如图 1-1 所示[2]：
华中科技大学 硕士学位论文 溶胶-凝胶法制备氧化锌薄膜晶体管的研究 姓名：黄宜平 申请学位级别：硕士 专业：材料物理与化学 指导教师：张道礼 2011-01-14
华中科技大学硕士学位论文
摘要
薄膜晶体管是一种利用栅极与源漏电极之间的电场来改变半导体薄膜材料导电 能力的绝缘栅型场效应晶体管，是有源矩阵液晶显示技术的核心元件。氧化锌是一种 宽禁带、直接带隙化合物半导体材料，在可见光区具有很高的透过率，室温下的电子 迁移率较高，且光敏感性弱，制备的器件性能稳定。
总之，作为有源矩阵液晶显示器（AM-LCD）和其他显示技术的像素开关，要求 TFT 在可见光波段具有较高的可见光透过率、沟道迁移率和电流开关比。因此，发展 TFT 技术的关键在于寻找新型的导电沟道材料，同时具备较高的场效应迁移率和可见 光透过率，且室温性能稳定，适用于低成本、大面积的制造工艺。
1.2 ZnO 的性质及其应用
2
华中科技大学硕士学位论文
在常温常压下，ZnO 为白色晶体或粉末，高温下呈黄色。ZnO 无毒、无臭且无味，
能溶于酸、氢氧化钠以及氨水等溶液，不溶于水、苯和乙醇等有机物。ZnO 的主要物
理参数如表 1-1 所示[5]。
表 1-1 ZnO 的部分物理参数
参数名称
参数值
300 K 稳定结构
六角纤锌矿结构
本文重点研究了氧化锌薄膜晶体管的制备过程及参数提取方法。采用溶胶-凝胶法 在 ITO 玻璃衬底上制备了氧化锌和二氧化硅薄膜，所得二氧化硅/氧化锌复合薄膜的 可见光透过率达到 80 %以上。然后采用磁控溅射法制备 Au 源漏电极，形成了底栅结 构的薄膜晶体管。通过半导体器件性能表征，所得薄膜晶体管为 n 沟道器件，工作模 式为增强型，电流开关比约为 104，阈值电压约为 3 V，沟道迁移率约为 6.95 cm2/Vs。
关键词：氧化锌 二氧化硅 薄膜晶体管 溶胶-凝胶法
I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
Thin film transistor (TFT) is a kind of insulated-gate field-effect transistors, which changed the conductivity of the semiconductors via the electric field between the source and drain electrodes. TFT is the key component in the active matrix liquid crystal display technology. ZnO is a wide-band and direct gap compound semiconductor with a high transmittance in the visible spectrum. The electron mobility in ZnO is large at room temperature, and the light sensitivity is weak; so that, the obtained device is stable.
保密□ ，在_____年解密后适用本授权书。 本论文属于
不保密□。
（请在以上方框内打“√”）
学位论文作者签名：
日期： 年 月 日
指导教师签名：
日期： 年 月 日
华中科技大学硕士学位论文
1 绪论
1.1 研究背景
电子显示器件，是指将各种电子装置输出的电气情报信息，转换为人的视觉可辨 知的光情报信息，并将这些光信息变换为文字、图像等形式显示出来的器件。电子显 示器件是连接人与机器的纽带，在当今的信息社会中，其作用显得越来越重要。电子 显示器件可以分为主动发光型和非主动发光型。液晶显示器（LCD）是一种非主动发 光型电子显示器，其主要构成部件有：液晶材料、透明电极基板、偏振片、反射板、 滤光器、背照光源和驱动电路等。LCD 具有薄型、轻量、低功耗和低工作电压等特点， 在各种平板电子显示器件中一直充当主角[1]。
场将离子引向靶材，在离子能量合适的情况下，在与靶材表面原子的碰撞过程中，入 射的离子将轰击靶材物质并将其溅射出来。这些被溅射出来的原子具有一定的动能， 并且会沿着一定的方向运动到衬底，从而实现在衬底上薄膜的沉积。
溅射法的主要优点是：（1）所获薄膜结构致密，纯度高；（2）薄膜和衬底的附着 力好；（3）厚度容易控制。其缺点是：（1）真空设备复杂，成本昂贵；（2）效率较低，