低压双电荷层ITO薄膜晶体管

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近年来,由于宽带隙氧化物半导体薄膜晶体管具有高迁移率、低成本、低温工艺、与柔性衬底兼容性好且能大面积生产等优势,已经引起了广泛的研究兴趣。然而由于它们通常需要比较大的工作电压才能获得较大的输出电流与较高的载流子迁移率,因而寻求新型的低压氧化物薄膜晶体管已经成为近几年的研究热点之一。在这众多的氧化物半导体材料中,InGaZnO4、ITO(氧化铟锡)等材料由于其具有统一的结构,光滑的表面,当室温下沉积为非晶薄膜状态时电子迁移率也通常较高(>10cm2/Vs)等优点,近年来引起了广泛的关注。我们在室温下以硅烷和氧气为原料气体,利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积制备出具有疏松结构的微孔SiO2薄膜,以此为栅介质制备的薄膜晶体管工作电压可大大降低,这样就解决了常规氧化物薄膜晶体管驱动电压大的问题。此外,我们还开始尝试对柔性薄膜晶体管器件进行探索。我们基于一步掩膜法工艺在纸张衬底上制备了一种新型的双电荷层超低工作电压ITO薄膜晶体管。首先,在纸张衬底上采用射频磁控溅射法沉积一层约300nm厚的ITO薄膜作为栅极;然后,以硅烷和氧气为原料气体,利用PECVD法沉积一层约4μm厚的微孔SiO2为栅介质;最后,采用一步掩膜法通过射频磁控溅射,仅仅利用一块镍掩模板,就可同时沉积出ITO源漏电极和ITO沟道。ITO源漏极厚度约200nm,晶体管的长度和宽度分别为80μm和1000μm,所有的镀膜工艺都是在室温下进行的。器件的电学特性由Keithley4200半导体参数分析仪在室温下黑暗环境中测试得到。测试结果表明这种晶体管显示出了极好的性能:超低的工作电压1.5V,场效应迁移率为20.1cm2/Vs,亚阈值斜率为188mV/decade,开关电流比为5×105,阈值电压为-1V。此外,通过对此器件弯曲后电学性能的研究,得到了器件弯曲后的迁移率,亚阈值斜率,开关电流比以及阈值电压分别为14.2cm2/Vs,188mV/decade,1×105以及-0.84V。这种基于全室温一步掩模法工艺制备的纸上氧化物薄膜晶体管具有工作电压低,工艺简单,成本低廉等优点,并且此器件在弯曲前后,器件性能的衰减不严重,在可以接受的范围之内,非常有望应用于未来便携式低功耗柔性电子器件的制造中。
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