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研究生: 林詠濠
Lin, Yung-Hao
論文名稱: 含有氧化鋅緩衝層之氧化鋅透明薄膜電晶體特性研究
ZnO-based Transparent Thin-film Transistors with ZnO Buffer Layer
指導教授: 李清庭
lee, Ching-Ting
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 光電科學與工程研究所
Institute of Electro-Optical Science and Engineering
論文出版年: 2009
畢業學年度: 97
語文別: 中文
論文頁數: 51
中文關鍵詞: 緩衝層薄膜電晶體氧化鋅
外文關鍵詞: Buffer layer, Thin-Film Transistors, ZnO
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  • 本論文主在探討增強型下閘極氧化鋅透明薄膜電晶體元件特性,利用射頻共濺鍍系統濺鍍成長氧化鋅緩衝層與含微量鋁金屬氧化鋅通道層薄膜,並比較有無氧化鋅緩衝層之氧化鋅透明薄膜電晶體特性。在本研究中,以X-ray繞射儀分析發現所沉積之氧化鋅緩衝層薄膜/含微量鋁金屬之氧化鋅通道層薄膜具單相之六角纖鋅礦結構,並且比較有無沉積氧化鋅緩衝層薄膜對含微量鋁金屬之氧化鋅通道層薄膜的影響,發現通道層薄膜之晶粒大小分別從沒有沉積氧化鋅緩衝層時的19.4nm增加至有氧化鋅緩衝層時的21.7nm,由此薄膜量測結果表示在沉積含微量鋁金屬氧化鋅通道層前,先沉積氧化鋅緩衝層有助於改善通道層的結晶性及晶粒之大小。而在薄膜電晶體元件電特性研究發現,氧化鋅透明薄膜電晶體之場效載子移動率與電流開關比會因為增加氧化鋅緩衝層而得到改善,起因於增加氧化鋅緩衝層使得含微量鋁金屬之氧化鋅通道層結晶性改善進而提升元件特性。最大汲源極電流從沒有沉積氧化鋅緩衝層時的69.6μA增加至有緩衝層厚度為80nm時的284.8 μA,電流開關比(Ion/Ioff)達107以上,元件載子遷移率則從32.5增加至122.0 cm2/V-s。而次臨界斜率由0.39 V/decade下降至0.24 V/decade,態位密度由5.72×1011 eV-1cm-2下降至2.69×1011 eV-1cm-2。

    Al-doped ZnO (ZnO:Al) transparent thin-film transistors (TTFTs) with and without ZnO buffer layer were fabricated by a magnetron RF co-sputtering system. The deposited ZnO buffer layer/ZnO:Al channel layer exhibited single-phase hexagonal wurtzite structure measured by X-ray diffraction. The grain size of ZnO:Al channel layer with and without ZnO buffer layer are 21.7 nm and 19.4 nm, respectively. It indicated that the ZnO buffer layer caused a better crystalline structure of the ZnO:Al channel layer. The electric properties, such as the field-effect carrier mobility, on-to-off current ratio of the fabricated ZnO based TTFTs with buffer layer, proved that the TTFTs with buffer layers have better performances, which can be attributed to the improvement of the crystalline structure of the ZnO:Al channel layer due to the insertion of the ZnO buffer layer. The maximum IDS of ZnO:Al channel layer without and with ZnO buffer layer 80 nm are 69.5 μA and 284.8 μA. The ZnO buffer layers caused the increase of effective field-effect carrier mobility of the TTFTs from 32.5 to 122.0 cm2/V-s. Furthermore, the subthreshold swing and the maximum density of states values of TTFTs decreased from 0.39 to 0.24 V/decade and 5.72×1011 to 2.69×1011 eV-1cm-2, respectively. The on-to-off current ratio of the TTFTs with the ZnO buffer layer is up to 107. It is concluded that the addition of buffer layers improves the performances of TTFTs.

    中文摘要 Ⅰ Abstract (English) III 誌謝 V 目錄 Ⅵ 表目錄 IX 圖目錄 X 第一章 緒論 1 1.1 透明薄膜電晶體之發展及近況 1 1.2 透明薄膜電晶體與傳統薄膜電晶體之比較 1 參考文獻 4 第二章 理論 6 2.1物理氣相沉積系統 6 2.1.1物理氣相沉積方式 6 2.1.2磁控式物理氣相沉積濺鍍系統 6 2.1.3濺鍍原理 7 2.2薄膜電晶體之工作原理 8 2.3薄膜電晶體與金氧半場效電晶體的比較 9 2.4薄膜電晶體之元件特性 10 2.4.1薄膜電晶體之電流特性 10 2.4.2薄膜電晶體之載子移動率 11 2.4.3薄膜電晶體其他重要參數 12 參考文獻 17 第三章實驗流程 18 3.1 緩衝層薄膜研究 18 3.2 透明薄膜電晶體結構 18 3.3 透明薄膜電晶體之元件製作 19 3.3.1 閘極製作 19 3.3.2 高台製作 21 3.3.3高濃度層接觸與源、汲極電極製作 22 參考文獻 29 第四章實驗結果與討論 30 4.1摻雜微量鋁金屬之含量的氧化鋅通道層之鋁含量量測 30 4.2緩衝層氧化鋅薄膜沉積條件之特性量測與分析 30 4.3緩衝層薄膜電晶體之電特性量測 32 4.3.1比較有無緩衝層之差別 33 4.3.2比較不同緩衝層厚度之差別 34 4.3.3比較次臨界斜率以及態位密度 35 4.4 實驗結果 36 參考文獻 49 第五章 結論 50 表目錄 表4.2-1 緩衝層與通道層之各別沉積條件 38 表4.2-2 不同條件緩衝層上之通道層X-ray繞射分析 38 表4.3-1 薄膜電晶體之各層沉積條件 39 圖目錄 圖2.2-1 常見的薄膜電晶體型式 14 圖2.3-1 下閘極非晶矽薄膜電晶體之元件結構示意圖 14 圖2.3-2 源極、汲極和閘極已重曡之設計圖 15 圖2.3-3 薄膜電晶體元件示意圖 15 圖2.4-1 薄膜電晶體轉移特性曲線圖 16 圖2.4-2 薄膜電晶體輸出特性曲線圖 16 圖3.1-1 透明薄膜電晶體結構 24 圖3.2-1 光罩圖形 25 圖3.2-2 透明薄膜電晶體元件製作流程 26 圖3.2-2 透明薄膜電晶體元件製作流程 27 圖3.2-2 透明薄膜電晶體元件製作流程 28 圖4.2-1 不同沉積條件氧化鋅緩衝層之X-ray繞射分析 40 圖4.2-2 在不同沉積條件氧化鋅緩衝層上成長通道層之X-ray繞射分析 40 圖4.2-3 單純通道層(ZnO:Al)之X-ray繞射分析圖 41 圖4.2-4 Buffer A緩衝層與通道層之X-ray繞射分析圖 41 圖4.2-5 Buffer B緩衝層與通道層之X-ray繞射分析圖 42 圖4.2-6 Buffer C緩衝層與通道層之X-ray繞射分析圖 42 圖4.2-4 Buffer D緩衝層與通道層之X-ray繞射分析圖 43 圖4.2-5 Buffer E緩衝層與通道層之X-ray繞射分析圖 43 圖4.3-1 無緩衝層之氧化鋅摻雜微量鋁金屬薄膜電晶體 之輸出特性曲線關係圖 44 圖4.3-2 有緩衝層厚度為50 nm之氧化鋅摻雜微量鋁金屬 薄膜電晶體之輸出特性曲線關係圖 44 圖4.3-3 無緩衝層之氧化鋅摻雜微量鋁金屬薄膜電晶體 之轉移特性曲線關係圖 45 圖4.3-4 有緩衝層厚度為50 nm之氧化鋅摻雜微量鋁金屬 薄膜電晶體之轉移特性曲線關係圖 45 圖4.3-5 通道層厚度為25nm、緩衝層厚度為80nm之薄膜 電晶體之輸出特性曲線關係圖 46 圖4.3-6 通道層厚度為25nm、緩衝層厚度為200nm之薄膜 電晶體之輸出特性曲線關係圖 46 圖4.3-7 通道層厚度為25nm、緩衝層厚度為80nm之薄膜 電晶體之轉移特性曲線關係圖 47 圖4.3-8 通道層厚度為25nm、緩衝層厚度為200nm之薄膜 電晶體之轉移特性曲線關係圖 47 圖4.3-9 不同通道層厚度的薄膜電晶體之場效載子移動率 比較圖 48 圖4.3-10 不同緩衝層厚度之次臨界斜率與整體態位密度 之關係圖 48

    Chapter 1
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    Chapter 2
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    Chapter 3
    [3.1] S. M. Sze: Physics of semiconductor device (New York: John Wiley & Sons, second, 1981).
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    Chapter 4
    [4.1] C. T. Lee, W. M. Shien, H. Y. Lee and C. H. Chou: IEEE LEOS Annual Meeting Conference Proceeding, CA, USA, MG3, (2008) p. 65.
    [4.2] D. K. Schroder: Semiconductor material and device characterization (A Wiley-Interscience Publication, Arizona, 1998).
    [4.3] C. R. Kagan and P. W. E. Andry: Thin-film transistors (Marcel Dekker, New York, 2003).

    下載圖示 校內:2010-06-29公開
    校外:2010-06-29公開
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