氧化物IZO薄膜晶体管
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(5) 小结
i 室温制备的IZO薄膜均为非晶结构，表面平整
ii 在较高氧分压下制备的非晶IZO薄膜都具有较好的 透明性，Ta%>80% iii No.30靶材制备的IZO薄膜更加平整，且在 PO2=5×10-2 Pa时具有~106 Ω·cm的电阻率，可应 用于TFT沟道层
1
研究背景和研究内容
2
3 4
2. IZO薄膜的制备和性能研究
(2) 表面形貌
Rrms nm
No.30 target 0.3
Ra nm
0.3
Rpv nm
3.3
No.40 target
0.7
0.5
10.3
No.50 target
0.9
0.5
17.3
2. IZO薄膜的制备和性能研究
(3) 电学性能
Resistivity (·cm )
5.0
5.5
5.96
2. IZO薄膜的制备和性能研究
(4) 光学性能
50 100
(ahv) (10 cm ( eV ) Transmission %)
2
40 80 30 60 20 40 10 20 0 0 2.5 300
PO2 = 5.0×10 Pa PO2 = 4.5×10 Pa PO2 = 4.0×10 Pa PO2 = 3.5×10 Pa
2
3 4
IZO薄膜的制备及性能研究
SiO2薄膜的制备及性能研究 IZO-TFT的制备及性能研究 结论与展望
5
4. IZO-TFT的制备和性能研究
顶栅结构TFT的制备流程
Al Gate SiO2
Al S/D
IZO
Glass substrate
4. IZO-TFT的制备和性能研究
top view
Al Gate SiO2 Al S/D
3. SiO2薄膜的制备和性能研究
(1) 表面形貌
Rms： 35.7 nm Ra： 32.8 nm Rp-v： 58.2 nm
3. SiO2薄膜的制备和性能研究
(2) 电学性能
24
PO2=2.8×10 Pa
-2
Al
C (nF/cm 2)
SiO2
2.5 mm
22
PO2=2.6×10 Pa
-2
20
PO2=2.4×10 Pa
10
-6
IDS (A ) IDS (A )
2
Substrate
2
VG= 5 V
10
-7
10
-8
VG= 3 V
1
0
10
-9
VG= 1 V VG=-1 V
0 -5
2
40
6
8 5 10 12 1014 V (V) V GS DS (V)
16 15 18
20
0
转移特性 输出特性
IDS
1/2
1
(10-3A1/2)
1.0 300 20 200 0.5 10 100
0 0.0 0 0 0 0
2 2 2
4 4 4
V VDS (V) DS (V) V DS (V)
6 6 6
8 8 8
10 10 10
4. IZO-TFT的制备和性能研究
(1) IZO沟道层对器件性能的影响
器件编号
饱和情况
IDS (μA) (VGS=5V,VDS=10V)
IZO Channel
Source
Drain
80nm 60nm
顶栅
底栅 W / L=400μm / 40μm
4. IZO-TFT的制备和性能研究
(2) 结构对器件性能的影响
-5 10 3
Source SiO2 Drain
80nm 60nm 200nm 80nm
3
VDS=10 V
VG= 7 V
IZO Channel Gate
OLED驱动电路
薄膜晶体管（TFT）
1. 研究背景
a-Si TFT
场效应迁移率低(μFE<1 cm2V-1s-1) 不透明，开口率<100% 光敏性强
p-Si TFT
大面积制备困难 均匀性差 制备温度较高
1. 研究背景
1. 研究背景
几种氧化物TFT及其性能
沟道层
SnO2 a-ZnO a-IZO a-IZO a-IGZO sc-IGZO
绝缘层
PbZr0.2Ti0.8O3 ATO SiO2 SiO2 Y2O3 a-AlOx
(cm2V-1s-1)
5 8 15 4.5 12 1~10
μFE
Ion/Ioff
60 9×105 ~106 105 108 105
(V)
-2 22.5 -5 -6.5 1.4 3
Vth
1. 研究背景
氧化物TFT的特点
1. 较高的μFE和Ion/Ioff——较大的驱动电流、较 快的器件响应速度 2. 溅射技术——大面积制备均匀 3. 低温制备——采用塑料基板，应用在柔性显示
1. 研究背景
铟锌氧化物(indium zinc oxide, IZO)——宽禁带 n型 2000年之前，主要工作为研究应用于太阳能电池，平板显示电极
2. IZO薄膜的制备和性能研究
(1) 晶体结构
No.50 target
Intensity
No.40 target
No.30 target
10
20
30
40
50
60
70
80
2 (deg.)
2. IZO薄膜的制备和性能研究
(2) 表面形貌
No.30 target
No.40 target
No.50 target
Relative dielectric constant
3. SiO2薄膜的制备和性能研究
(3) 光学性能
100
Transmission (%)
80
60
40
PO2=2.4x10 Pa PO2=2.6x10 Pa
-2 -2
-2
20
PO2=2.8x10 Pa
0 300
400
500
600
700
800
900
1
研究背景和研究内容
2
3 4
IZO薄膜的制备及性能研究
SiO2薄膜的制备及性能研究 IZO-TFT的制备及性能研究 结论与展望
5
2. IZO薄膜的制备和性能研究
直流磁控溅射法实验参数
靶材 靶与基板间距 本底压强 氧气压强 工作压降 溅射电流 溅射电压 温度及时间 InZn合金 10 cm 2×10-3 Pa 3~5×10-2 Pa 3×10-1 Pa 100 mA 390~410 V 室温 10min
TFT-B TFT-A TFT-C
500 1.5
30 400
VGS=5V VGS=5V VGS=5V VGS=4V VGS=4V VGS=4V VGS=3V VGS=3V VGS=3V VGS=2V VGS=2V VGS=2V VGS=1V VGS=1V VGS=1V
( A) ) DS ( II A DS IDS (A )
Wavelength (nm)
3. SiO2薄膜的制备和性能研究
(4) 小结
i 室温PPD制备的SiO2薄膜平整性与非晶IZO相比较差 ii SiO2薄膜在一定氧压范围内具有介电性能，在 PO2=2.8×10-2Pa时，εr=3.92 iii SiO2薄膜具有很好的透明性，Ta%>80%
1
研究背景和研究内容
4. IZO-TFT的制备和性能研究
(2) 结构对器件性能的影响
10 20
Gate SiO2 IZO Channel Substrate
80nm 200nm
-4
VDS = 12 V
IDS (A ) IDS / μA
VGS = 8 V VGS = 6 V
4
10
-6
10
10
-7
5
VGS = 4 V 2 VGS = 2 V VGS = 0 V
Ion/Ioff
IDS (μA) μFE (VGS=8V,VDS=8V) (cm2V-1s-1)
Gate SiO2 IZO Channel Substrate
80nm 200nm
TFT-A
× ×
TFT-B
☆☆ 30
TFT-C
☆ 1.2
4. IZO-TFT的制备和性能研究
(2) 结构对器件性能的影响
Gate SiO2 IZO Channel Substrate
80nm 200nm
Source SiO2 Gate Substrate
Drain
80nm 60nm 200nm 80nm
10 10
6
A
4 2
B
1.19×10-3
C
8.73×10-3
(Ω·cm)
10
0
ρ10
1.03×10-3
n
-2
-3) 10 (cm
6.37×1020 C 5.41×1020
A
3.0
B
1.28×1020
μ
10
-4
2.5
(cm2V-1s-1)
3.5 4.0 4.5 9.52 9.72 PO2 (10-2Pa)
4. IZO-TFT的制备和性能研究
(1) IZO沟道层对器件性能的影响
IZO编号 氧分压 (10-2 Pa) IZO-A 4.0 IZO-B 5.0 IZO-C 6.0
器件编号
结构 W/L
TFT-A
TFT-B
顶栅 500/100
TFT-C
4. IZO-TFT的制备和性能研究
(1) IZO沟道层对器件性能的影响
-4 0 -2 05
0
10
-8
V (V) V DS / V GS
转移特性 输出特性
2
10 4
6
15 8
0 10 20
IDS
1/2
-3
1/2
10 15
-5
60nm
(10 A )
Source
Drain
VGS = 10 V 6
80nm
4. IZO-TFT的制备和性能研究
(2) 结构对器件性能的影响
CiW 2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱW (C I DS I VOX V ) GS (V th - V ) 2 DS 2 L GS th 2L
a-IZO
a-IZO a-IZO a-IZO a-IZO
RFMS
RFMS RFMS RFMS DCMS
0.53
40 4~18 49.9 20
106
107 105 108 108
1. 研究背景
研究内容： (1) 直流磁控溅射法(DCMS)制备IZO沟道层 ——相关报道多为射频磁控溅射；靶材设计 (2) 脉冲等离子体沉积法(PPD)制备SiO2绝缘层 ——类似于PLD，未见报道 (3) 初步尝试IZO-TFT的制备 研究目的： 探讨DCMS法制备IZO沟道层的可行性，探索制备 IZO-TFT的实验条件，研究影响TFT性能的因素
-2 -2 -2
-2
10
-2
PO2 = 5.0 Pa PO2 = 4.5 Pa PO2 = 4.0 Pa PO2 = 3.5 Pa PO2 = 3.0 Pa
2
400
3.0 500
Eg：3.34~3.53 eV
Wavelength (nm)
600 3.5 700 hv (ev)
4.0 800
900
2. IZO薄膜的制备和性能研究
-2
2.5 mm
18
MIM结构
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
V (V)
3. SiO2薄膜的制备和性能研究
(2) 电学性能
185 180 3.95 175
C=ε0· εr· S /d
4.00
Thickness (nm)
170 165
3.90 3.85
160 155 150 3.75 145 140 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 -2 PO (10 Pa) 2 3.0 3.70 3.80
Channel Material
a-IZO
Target Material
ceramic ceramic ceramic ceramic ceramic ceramic
Dep. Method
RFMS
μFE (cm2V-1s-1)
45~55
Ion/Ioff 106
Vth (V) -20~-10 1.1 3~10 2.5 3.5 -3.2
IZO薄膜的制备及性能研究
SiO2薄膜的制备及性能研究 IZO-TFT的制备及性能研究 结论与展望
5
3. SiO2薄膜的制备和性能研究
脉冲等离子沉积SiO2实验参数
靶材
本底压强 氧气压强 工作电压 工作电流 脉冲频率 温度和时间
石英玻片
2×10-3 Pa 2.0~3.0×10-2 Pa -15 kV 5 mA 2 Hz 室温 20 min
2. IZO薄膜的制备和性能研究
靶材设计
Target label No.30 No.40 No.50 Zn/(Zn+In) in target (wt.%) 29.4 39.3 49.2 expection of ZnO/(ZnO+In2O3) in the films (wt.%) 30 40 50
复旦大学硕士毕业论文答辩——
非晶铟锌氧化物薄膜晶体管的研究
1
研究背景
2
3 4
IZO薄膜的制备及性能研究
SiO2薄膜的制备及性能研究 IZO-TFT的制备及性能研究 结论与展望
5
1. 研究背景
平板化、大型化、高清晰度
1. 研究背景
LCD驱动电路
数据总线 地址总线 Cs 像素电极 地址总线 OLED 数据总线 电流源
Channel Gate Insulator
Source
Drain
IZO
Glass substrate
4. IZO-TFT的制备和性能研究
源漏电极Al2O3陶瓷掩模
4. IZO-TFT的制备和性能研究
实验参数：
器件结构 沟道层 氧气压强 绝缘层 氧气压强 电极 温度 顶栅 & 底栅 No.30 target 4~6×10-2 Pa SiO2 2.8×10-2 Pa Al 室温
i 室温制备的IZO薄膜均为非晶结构，表面平整
ii 在较高氧分压下制备的非晶IZO薄膜都具有较好的 透明性，Ta%>80% iii No.30靶材制备的IZO薄膜更加平整，且在 PO2=5×10-2 Pa时具有~106 Ω·cm的电阻率，可应 用于TFT沟道层
1
研究背景和研究内容
2
3 4
2. IZO薄膜的制备和性能研究
(2) 表面形貌
Rrms nm
No.30 target 0.3
Ra nm
0.3
Rpv nm
3.3
No.40 target
0.7
0.5
10.3
No.50 target
0.9
0.5
17.3
2. IZO薄膜的制备和性能研究
(3) 电学性能
Resistivity (·cm )
5.0
5.5
5.96
2. IZO薄膜的制备和性能研究
(4) 光学性能
50 100
(ahv) (10 cm ( eV ) Transmission %)
2
40 80 30 60 20 40 10 20 0 0 2.5 300
PO2 = 5.0×10 Pa PO2 = 4.5×10 Pa PO2 = 4.0×10 Pa PO2 = 3.5×10 Pa
2
3 4
IZO薄膜的制备及性能研究
SiO2薄膜的制备及性能研究 IZO-TFT的制备及性能研究 结论与展望
5
4. IZO-TFT的制备和性能研究
顶栅结构TFT的制备流程
Al Gate SiO2
Al S/D
IZO
Glass substrate
4. IZO-TFT的制备和性能研究
top view
Al Gate SiO2 Al S/D
3. SiO2薄膜的制备和性能研究
(1) 表面形貌
Rms： 35.7 nm Ra： 32.8 nm Rp-v： 58.2 nm
3. SiO2薄膜的制备和性能研究
(2) 电学性能
24
PO2=2.8×10 Pa
-2
Al
C (nF/cm 2)
SiO2
2.5 mm
22
PO2=2.6×10 Pa
-2
20
PO2=2.4×10 Pa
10
-6
IDS (A ) IDS (A )
2
Substrate
2
VG= 5 V
10
-7
10
-8
VG= 3 V
1
0
10
-9
VG= 1 V VG=-1 V
0 -5
2
40
6
8 5 10 12 1014 V (V) V GS DS (V)
16 15 18
20
0
转移特性 输出特性
IDS
1/2
1
(10-3A1/2)
1.0 300 20 200 0.5 10 100
0 0.0 0 0 0 0
2 2 2
4 4 4
V VDS (V) DS (V) V DS (V)
6 6 6
8 8 8
10 10 10
4. IZO-TFT的制备和性能研究
(1) IZO沟道层对器件性能的影响
器件编号
饱和情况
IDS (μA) (VGS=5V,VDS=10V)
IZO Channel
Source
Drain
80nm 60nm
顶栅
底栅 W / L=400μm / 40μm
4. IZO-TFT的制备和性能研究
(2) 结构对器件性能的影响
-5 10 3
Source SiO2 Drain
80nm 60nm 200nm 80nm
3
VDS=10 V
VG= 7 V
IZO Channel Gate
OLED驱动电路
薄膜晶体管（TFT）
1. 研究背景
a-Si TFT
场效应迁移率低(μFE<1 cm2V-1s-1) 不透明，开口率<100% 光敏性强
p-Si TFT
大面积制备困难 均匀性差 制备温度较高
1. 研究背景
1. 研究背景
几种氧化物TFT及其性能
沟道层
SnO2 a-ZnO a-IZO a-IZO a-IGZO sc-IGZO
绝缘层
PbZr0.2Ti0.8O3 ATO SiO2 SiO2 Y2O3 a-AlOx
(cm2V-1s-1)
5 8 15 4.5 12 1~10
μFE
Ion/Ioff
60 9×105 ~106 105 108 105
(V)
-2 22.5 -5 -6.5 1.4 3
Vth
1. 研究背景
氧化物TFT的特点
1. 较高的μFE和Ion/Ioff——较大的驱动电流、较 快的器件响应速度 2. 溅射技术——大面积制备均匀 3. 低温制备——采用塑料基板，应用在柔性显示
1. 研究背景
铟锌氧化物(indium zinc oxide, IZO)——宽禁带 n型 2000年之前，主要工作为研究应用于太阳能电池，平板显示电极
2. IZO薄膜的制备和性能研究
(1) 晶体结构
No.50 target
Intensity
No.40 target
No.30 target
10
20
30
40
50
60
70
80
2 (deg.)
2. IZO薄膜的制备和性能研究
(2) 表面形貌
No.30 target
No.40 target
No.50 target
Relative dielectric constant
3. SiO2薄膜的制备和性能研究
(3) 光学性能
100
Transmission (%)
80
60
40
PO2=2.4x10 Pa PO2=2.6x10 Pa
-2 -2
-2
20
PO2=2.8x10 Pa
0 300
400
500
600
700
800
900
1
研究背景和研究内容
2
3 4
IZO薄膜的制备及性能研究
SiO2薄膜的制备及性能研究 IZO-TFT的制备及性能研究 结论与展望
5
2. IZO薄膜的制备和性能研究
直流磁控溅射法实验参数
靶材 靶与基板间距 本底压强 氧气压强 工作压降 溅射电流 溅射电压 温度及时间 InZn合金 10 cm 2×10-3 Pa 3~5×10-2 Pa 3×10-1 Pa 100 mA 390~410 V 室温 10min
TFT-B TFT-A TFT-C
500 1.5
30 400
VGS=5V VGS=5V VGS=5V VGS=4V VGS=4V VGS=4V VGS=3V VGS=3V VGS=3V VGS=2V VGS=2V VGS=2V VGS=1V VGS=1V VGS=1V
( A) ) DS ( II A DS IDS (A )
Wavelength (nm)
3. SiO2薄膜的制备和性能研究
(4) 小结
i 室温PPD制备的SiO2薄膜平整性与非晶IZO相比较差 ii SiO2薄膜在一定氧压范围内具有介电性能，在 PO2=2.8×10-2Pa时，εr=3.92 iii SiO2薄膜具有很好的透明性，Ta%>80%
1
研究背景和研究内容
4. IZO-TFT的制备和性能研究
(2) 结构对器件性能的影响
10 20
Gate SiO2 IZO Channel Substrate
80nm 200nm
-4
VDS = 12 V
IDS (A ) IDS / μA
VGS = 8 V VGS = 6 V
4
10
-6
10
10
-7
5
VGS = 4 V 2 VGS = 2 V VGS = 0 V
Ion/Ioff
IDS (μA) μFE (VGS=8V,VDS=8V) (cm2V-1s-1)
Gate SiO2 IZO Channel Substrate
80nm 200nm
TFT-A
× ×
TFT-B
☆☆ 30
TFT-C
☆ 1.2
4. IZO-TFT的制备和性能研究
(2) 结构对器件性能的影响
Gate SiO2 IZO Channel Substrate
80nm 200nm
Source SiO2 Gate Substrate
Drain
80nm 60nm 200nm 80nm
10 10
6
A
4 2
B
1.19×10-3
C
8.73×10-3
(Ω·cm)
10
0
ρ10
1.03×10-3
n
-2
-3) 10 (cm
6.37×1020 C 5.41×1020
A
3.0
B
1.28×1020
μ
10
-4
2.5
(cm2V-1s-1)
3.5 4.0 4.5 9.52 9.72 PO2 (10-2Pa)
4. IZO-TFT的制备和性能研究
(1) IZO沟道层对器件性能的影响
IZO编号 氧分压 (10-2 Pa) IZO-A 4.0 IZO-B 5.0 IZO-C 6.0
器件编号
结构 W/L
TFT-A
TFT-B
顶栅 500/100
TFT-C
4. IZO-TFT的制备和性能研究
(1) IZO沟道层对器件性能的影响
-4 0 -2 05
0
10
-8
V (V) V DS / V GS
转移特性 输出特性
2
10 4
6
15 8
0 10 20
IDS
1/2
-3
1/2
10 15
-5
60nm
(10 A )
Source
Drain
VGS = 10 V 6
80nm
4. IZO-TFT的制备和性能研究
(2) 结构对器件性能的影响
CiW 2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱW (C I DS I VOX V ) GS (V th - V ) 2 DS 2 L GS th 2L
a-IZO
a-IZO a-IZO a-IZO a-IZO
RFMS
RFMS RFMS RFMS DCMS
0.53
40 4~18 49.9 20
106
107 105 108 108
1. 研究背景
研究内容： (1) 直流磁控溅射法(DCMS)制备IZO沟道层 ——相关报道多为射频磁控溅射；靶材设计 (2) 脉冲等离子体沉积法(PPD)制备SiO2绝缘层 ——类似于PLD，未见报道 (3) 初步尝试IZO-TFT的制备 研究目的： 探讨DCMS法制备IZO沟道层的可行性，探索制备 IZO-TFT的实验条件，研究影响TFT性能的因素
-2 -2 -2
-2
10
-2
PO2 = 5.0 Pa PO2 = 4.5 Pa PO2 = 4.0 Pa PO2 = 3.5 Pa PO2 = 3.0 Pa
2
400
3.0 500
Eg：3.34~3.53 eV
Wavelength (nm)
600 3.5 700 hv (ev)
4.0 800
900
2. IZO薄膜的制备和性能研究
-2
2.5 mm
18
MIM结构
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
V (V)
3. SiO2薄膜的制备和性能研究
(2) 电学性能
185 180 3.95 175
C=ε0· εr· S /d
4.00
Thickness (nm)
170 165
3.90 3.85
160 155 150 3.75 145 140 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 -2 PO (10 Pa) 2 3.0 3.70 3.80
Channel Material
a-IZO
Target Material
ceramic ceramic ceramic ceramic ceramic ceramic
Dep. Method
RFMS
μFE (cm2V-1s-1)
45~55
Ion/Ioff 106
Vth (V) -20~-10 1.1 3~10 2.5 3.5 -3.2
IZO薄膜的制备及性能研究
SiO2薄膜的制备及性能研究 IZO-TFT的制备及性能研究 结论与展望
5
3. SiO2薄膜的制备和性能研究
脉冲等离子沉积SiO2实验参数
靶材
本底压强 氧气压强 工作电压 工作电流 脉冲频率 温度和时间
石英玻片
2×10-3 Pa 2.0~3.0×10-2 Pa -15 kV 5 mA 2 Hz 室温 20 min
2. IZO薄膜的制备和性能研究
靶材设计
Target label No.30 No.40 No.50 Zn/(Zn+In) in target (wt.%) 29.4 39.3 49.2 expection of ZnO/(ZnO+In2O3) in the films (wt.%) 30 40 50
复旦大学硕士毕业论文答辩——
非晶铟锌氧化物薄膜晶体管的研究
1
研究背景
2
3 4
IZO薄膜的制备及性能研究
SiO2薄膜的制备及性能研究 IZO-TFT的制备及性能研究 结论与展望
5
1. 研究背景
平板化、大型化、高清晰度
1. 研究背景
LCD驱动电路
数据总线 地址总线 Cs 像素电极 地址总线 OLED 数据总线 电流源
Channel Gate Insulator
Source
Drain
IZO
Glass substrate
4. IZO-TFT的制备和性能研究
源漏电极Al2O3陶瓷掩模
4. IZO-TFT的制备和性能研究
实验参数：
器件结构 沟道层 氧气压强 绝缘层 氧气压强 电极 温度 顶栅 & 底栅 No.30 target 4~6×10-2 Pa SiO2 2.8×10-2 Pa Al 室温