溶胶凝胶法制备高性能锆铝氧化物作为绝缘层的薄膜晶体管

高娅娜; 李喜峰; 张建华

doi:10.7498/aps.63.118502

摘要

本文采用溶胶凝胶法制备了锆掺杂铝氧化物（锆铝氧化物）和铪铟锌氧化物薄膜，并用于制造薄膜晶体管的绝缘层和有源层. 锆铝氧化物绝缘层具有较高的介电常数，其相对介电常数为19.67，且薄膜表面光滑，致密，其表面粗糙度仅为0.31 nm. 获得的薄膜晶体管具备良好的器件性能，当器件宽长比为5时，器件的饱和迁移率为21.3 cm2/V·s，阈值电压为0.3 V，开关比可以达到4.3×107，亚阈值摆幅仅有0.32 V/dec.

关键词:

Abstract

Hafnium indium zinc oxide (HIZO) thin film transistors with zirconium aluminum oxide (AZO) gate dielectric were fabricated by solution-process. The HIZO and AZO oxide thin films have smooth surfaces with root-mean-square roughness of 0.62 nm and 0.35 nm respectively. The thin film transistor with channel length = 6 μm and the ratio of width/length =5 exhibits a high saturation field-effect mobility of 21.3 cm2/V·s, a low threshold voltage of 0.3 V, a high on-off ratio of 4.3×107 and a small subthreshold swing of 0.32 V/dec. And these properties of TFT may be impacted by highly-coherent and low trapping states interface between the AZO dielectric and HIZO semiconductors.

Keywords:

作者及机构信息

1.
上海大学, 新型显示技术与应用集成教育部重点实验室, 上海 200072

基金项目: 国家自然科学基金（批准号：61006005）和上海科学技术委员会项目（批准号：13520500200）资助的课题.

Authors and contacts

1.
Key Laboratory of Advanced Display and System Applications of Ministry of Education, Shanghai University, Shanghai 200072, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61006005), and the Shanghai Science and Technology Commission, China (Grant No. 13520500200).

参考文献

[1]	Nomura K, Ohta H, Takagi A, Kamiya T, Hirano M, Hosono H 2004 Nature 432 488
[2]	Park J C, Kim S, Kim S, Kim C, Song I, Park Y, Jung U I, Kim D H, Lee J S 2010 Adv. Mater. 22 5512
[3]	Park J S, Maeng W J, Kim H S, Park J S 2012 Thin Solid Films 520 1679
[4]	Li X, Li Q, Zhang J H 2013 J. Sol-Gel Sci. Technol. 66 497
[5]	Zhang B, Liu Y, Agarwal S, Yeh M-L, Katz H E 2011 ACS Appl. Mater. Interfaces 3 4254
[6]	Gao Bo X, Qiu Xia X 2009 Chin. Phys. B 18 768
[7]	Lee I K, Lee S W, Gu J g, Kim K S, Cho W J 2013 Jpn. J. Appl. Phys. 52 06GE05
[8]	Li X F, Xin E L, Zhang J H 2013 IEEE Trans. Electron Devices 60 3413
[9]	Adamopoulos G, Thomas S, Bradley D D C, McLachlan M A, Anthopoulos T D 2011 Appl. Phys. Lett. 98 123503
[10]	Ji Bin F, Hong Xia L, Fei M, Qing Qing Z, Yue H 2013 Chin. Phys. B 22 027702
[11]	Fortunato E, Barquinha P, Martins R 2012 Adv. Mater. 24 2945
[12]	Pei Z, Pereira L, ç G, Barquinha P, Franco N, Alves E, Rego A, Martins R, Fortunato E 2009 Electrochem. Solid-State Lett. 12 G65
[13]	Robertson J 2004 Eur. Phys. J. Appl. Phys. 28 265
[14]	Jeong W H, Kim G H, Shin H S, Du Ahn B, Kim H J, Ryu M K, Park K B, Seon J B, Lee S Y 2010 Appl. Phys. Lett. 96 093503
[15]	Park J H, Yoo Y B, Lee K H, Jang W S, Oh J Y, Chae S S, Baik H K 2013 ACS Appl. Mater. Interfaces 5 410
[16]	Kim G H, Shin H S, Du Ahn B, Kim K H, Park W J, Kim H J 2009 J. Electrochem. Soc. 156 H7
[17]	Wang X C, Yuan Z J, Zhu X M, Qiu D J, Wu H Z Acta Phys. Sin. 60 037305 in Chinese 2011 60 037305 (in Chinese) [王雄才, 原子健, 朱夏明, 邱东江, 吴惠桢 2011 60 037305]
[18]	Lee C G, Dodarbalapur A 2012 J. Electron. Mater. 41 895
[19]	Zhang L, Li J, Zhang X W, Jiang X Y, Zhang Z L 2009 Appl. Phys. Lett. 95 072112
[20]	Peng J, Sun Q, Wang S, Wang H Q, Ma W 2013 Appl. Phys. Lett. 103 061603
[21]	Jang K, Raja J, Kim J, Park C, Lee Y J, Yang J, Kim H, Yi J 2013 Semicond. Sci. Technol. 28 085015
[22]	Heo Y W, Cho K M, Sun S Y, Kim S Y, Lee J H, Kim J J, Norton D, Pearton S 2011 J. Vac. Sci. Technol. B 29 021203
[23]	Yang W, Song K, Jeong Y, Jeong S, Moon J 2013 J. Mater. Chem. C 1 4275
[24]	Li X F, Xin E L, Shi J F, Chen L L, Li C Y, Zhang J H Acta Phys. Sin. 62 108503 in Chinese 2013 62 108503 (in Chinese) [李喜峰, 信恩龙, 石继锋, 陈龙龙, 李春亚, 张建华 2013 62 108503]

施引文献

[1]	Nomura K, Ohta H, Takagi A, Kamiya T, Hirano M, Hosono H 2004 Nature 432 488
[2]	Park J C, Kim S, Kim S, Kim C, Song I, Park Y, Jung U I, Kim D H, Lee J S 2010 Adv. Mater. 22 5512
[3]	Park J S, Maeng W J, Kim H S, Park J S 2012 Thin Solid Films 520 1679
[4]	Li X, Li Q, Zhang J H 2013 J. Sol-Gel Sci. Technol. 66 497
[5]	Zhang B, Liu Y, Agarwal S, Yeh M-L, Katz H E 2011 ACS Appl. Mater. Interfaces 3 4254
[6]	Gao Bo X, Qiu Xia X 2009 Chin. Phys. B 18 768
[7]	Lee I K, Lee S W, Gu J g, Kim K S, Cho W J 2013 Jpn. J. Appl. Phys. 52 06GE05
[8]	Li X F, Xin E L, Zhang J H 2013 IEEE Trans. Electron Devices 60 3413
[9]	Adamopoulos G, Thomas S, Bradley D D C, McLachlan M A, Anthopoulos T D 2011 Appl. Phys. Lett. 98 123503
[10]	Ji Bin F, Hong Xia L, Fei M, Qing Qing Z, Yue H 2013 Chin. Phys. B 22 027702
[11]	Fortunato E, Barquinha P, Martins R 2012 Adv. Mater. 24 2945
[12]	Pei Z, Pereira L, ç G, Barquinha P, Franco N, Alves E, Rego A, Martins R, Fortunato E 2009 Electrochem. Solid-State Lett. 12 G65
[13]	Robertson J 2004 Eur. Phys. J. Appl. Phys. 28 265
[14]	Jeong W H, Kim G H, Shin H S, Du Ahn B, Kim H J, Ryu M K, Park K B, Seon J B, Lee S Y 2010 Appl. Phys. Lett. 96 093503
[15]	Park J H, Yoo Y B, Lee K H, Jang W S, Oh J Y, Chae S S, Baik H K 2013 ACS Appl. Mater. Interfaces 5 410
[16]	Kim G H, Shin H S, Du Ahn B, Kim K H, Park W J, Kim H J 2009 J. Electrochem. Soc. 156 H7
[17]	Wang X C, Yuan Z J, Zhu X M, Qiu D J, Wu H Z Acta Phys. Sin. 60 037305 in Chinese 2011 60 037305 (in Chinese) [王雄才, 原子健, 朱夏明, 邱东江, 吴惠桢 2011 60 037305]
[18]	Lee C G, Dodarbalapur A 2012 J. Electron. Mater. 41 895
[19]	Zhang L, Li J, Zhang X W, Jiang X Y, Zhang Z L 2009 Appl. Phys. Lett. 95 072112
[20]	Peng J, Sun Q, Wang S, Wang H Q, Ma W 2013 Appl. Phys. Lett. 103 061603
[21]	Jang K, Raja J, Kim J, Park C, Lee Y J, Yang J, Kim H, Yi J 2013 Semicond. Sci. Technol. 28 085015
[22]	Heo Y W, Cho K M, Sun S Y, Kim S Y, Lee J H, Kim J J, Norton D, Pearton S 2011 J. Vac. Sci. Technol. B 29 021203
[23]	Yang W, Song K, Jeong Y, Jeong S, Moon J 2013 J. Mater. Chem. C 1 4275
[24]	Li X F, Xin E L, Shi J F, Chen L L, Li C Y, Zhang J H Acta Phys. Sin. 62 108503 in Chinese 2013 62 108503 (in Chinese) [李喜峰, 信恩龙, 石继锋, 陈龙龙, 李春亚, 张建华 2013 62 108503]

[1]	张雪, KimBokyung, LeeHyeonju, ParkJaehoon. 低温快速制备基于溶液工艺的高性能氧化铟薄膜及晶体管. , 2024, 73(9): 096802. doi: 10.7498/aps.73.20240082
[2]	赵泽贤, 徐萌, 彭聪, 张涵, 陈龙龙, 张建华, 李喜峰. 喷墨打印高迁移率铟锌锡氧化物薄膜晶体管. , 2024, 73(12): 128501. doi: 10.7498/aps.73.20240361
[3]	徐华, 刘京栋, 蔡炜, 李民, 徐苗, 陶洪, 邹建华, 彭俊彪. N ₂O处理对背沟刻蚀金属氧化物薄膜晶体管性能的影响. , 2022, 71(5): 058503. doi: 10.7498/aps.71.20211350
[4]	朱宇博, 徐华, 李民, 徐苗, 彭俊彪. 镨掺杂铟镓氧化物薄膜晶体管的低频噪声特性分析. , 2021, 70(16): 168501. doi: 10.7498/aps.70.20210368
[5]	刘贤哲, 张旭, 陶洪, 黄健朗, 黄江夏, 陈艺涛, 袁炜健, 姚日晖, 宁洪龙, 彭俊彪. 溶胶-凝胶法制备氧化锡基薄膜及薄膜晶体管的研究进展. , 2020, 69(22): 228102. doi: 10.7498/aps.69.20200653
[6]	邵龑, 丁士进. 氢元素对铟镓锌氧化物薄膜晶体管性能的影响. , 2018, 67(9): 098502. doi: 10.7498/aps.67.20180074
[7]	兰林锋, 张鹏, 彭俊彪. 氧化物薄膜晶体管研究进展. , 2016, 65(12): 128504. doi: 10.7498/aps.65.128504
[8]	王静, 刘远, 刘玉荣, 吴为敬, 罗心月, 刘凯, 李斌, 恩云飞. 铟锌氧化物薄膜晶体管局域态分布的提取方法. , 2016, 65(12): 128501. doi: 10.7498/aps.65.128501
[9]	宁洪龙, 胡诗犇, 朱峰, 姚日晖, 徐苗, 邹建华, 陶洪, 徐瑞霞, 徐华, 王磊, 兰林锋, 彭俊彪. 铜-钼源漏电极对非晶氧化铟镓锌薄膜晶体管性能的改善. , 2015, 64(12): 126103. doi: 10.7498/aps.64.126103
[10]	朱乐永, 高娅娜, 张建华, 李喜峰. 溶胶凝胶法制备以HfO2为绝缘层和ZITO为有源层的高迁移率薄膜晶体管. , 2015, 64(16): 168501. doi: 10.7498/aps.64.168501
[11]	徐飘荣, 强蕾, 姚若河. 一个非晶InGaZnO薄膜晶体管线性区陷阱态的提取方法. , 2015, 64(13): 137101. doi: 10.7498/aps.64.137101
[12]	刘远, 吴为敬, 李斌, 恩云飞, 王磊, 刘玉荣. 非晶铟锌氧化物薄膜晶体管的低频噪声特性与分析. , 2014, 63(9): 098503. doi: 10.7498/aps.63.098503
[13]	徐华, 兰林锋, 李民, 罗东向, 肖鹏, 林振国, 宁洪龙, 彭俊彪. 源漏电极的制备对氧化物薄膜晶体管性能的影响. , 2014, 63(3): 038501. doi: 10.7498/aps.63.038501
[14]	李帅帅, 梁朝旭, 王雪霞, 李延辉, 宋淑梅, 辛艳青, 杨田林. 高迁移率非晶铟镓锌氧化物薄膜晶体管的制备与特性研究. , 2013, 62(7): 077302. doi: 10.7498/aps.62.077302
[15]	骆杨, 段羽, 陈平, 臧春亮, 谢月, 赵毅, 刘式墉. 利用空间电荷限制电流方法确定三(8-羟基喹啉)铝的电子迁移率特性初步研究. , 2012, 61(14): 147801. doi: 10.7498/aps.61.147801
[16]	赵孔胜, 轩瑞杰, 韩笑, 张耕铭. 基于氧化铟锡的无结低电压薄膜晶体管. , 2012, 61(19): 197201. doi: 10.7498/aps.61.197201
[17]	王雄, 才玺坤, 原子健, 朱夏明, 邱东江, 吴惠桢. 氧化锌锡薄膜晶体管的研究. , 2011, 60(3): 037305. doi: 10.7498/aps.60.037305
[18]	徐天宁, 吴惠桢, 张莹莹, 王雄, 朱夏明, 原子健. In2O3 透明薄膜晶体管的制备及其电学性能的研究. , 2010, 59(7): 5018-5022. doi: 10.7498/aps.59.5018
[19]	代月花, 陈军宁, 柯导明, 孙家讹, 胡媛. 纳米MOSFET迁移率解析模型. , 2006, 55(11): 6090-6094. doi: 10.7498/aps.55.6090
[20]	许雪梅, 彭景翠, 李宏建, 瞿述, 罗小华. 载流子迁移率对单层有机发光二极管复合效率的影响. , 2002, 51(10): 2380-2385. doi: 10.7498/aps.51.2380

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