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物理化学学报  2017, Vol. 33 Issue (10): 2092-2098    DOI: 10.3866/PKU.WHXB201705114
论文     
热压烧结靶材制备氧化铟锌薄膜晶体管
宋二龙,兰林锋*(),林振国,孙圣,宋威,李育智,高沛雄,张鹏,彭俊彪
Preparation of Indium-Zinc-Oxide Thin Film Transistors by Hot-Pressing Sintering Target
Er-Long SONG,Lin-Feng LAN*(),Zhen-Guo LIN,Sheng SUN,Wei SONG,Yu-Zhi LI,Pei-Xiong GAO,Peng ZHANG,Jun-Biao PENG
 全文: PDF(1992 KB)   HTML 输出: BibTeX | EndNote (RIS) |
摘要:

本文研究了热压烧结条件对氧化铟锌(IZO)靶材和薄膜晶体管(TFT)性能的影响。以80%:20%(质量分数比)的ZnO和In2O3的混合粉体为原料通过热压烧结法制备IZO靶材,以制备的靶材通过磁控溅射制备IZO TFT。X射线衍射(XRD)图谱以及扫描电镜(SEM)图像表明IZO靶材结晶性好,元素分布均匀。烧结温度为850℃时靶材呈现烧结致密化,900 ℃-60 min条件下In2O3的挥发破坏了靶材烧结致密化。提高烧结温度或延长烧结时间加速In向ZnO晶格的扩散以及空位向表面迁移,有利于靶材致密化以及形成InZnOx晶相。TFT器件表征结果表明低密度和过高密度靶材会恶化薄膜质量,降低器件性能,可见适当高密度的靶材对制备TFT至关重要,最终900 ℃-90 min条件的靶材所制备的TFT性能最好,迁移率为16.25 cm2·V-1·s-1

关键词: 薄膜晶体管氧化铟锌热压烧结靶材磁控溅射    
Abstract:

The sintering condition was studied how to influence the performance of indium-zinc-oxide (IZO) target and thin film transistor (TFT) in this paper. IZO targets was prepared by hot-pressing sintering using mixed power (20% (w, mass fraction) In2O3), then fabricated TFT with above sintering targets. X-ray diffraction (XRD) patterns & scanning electron microscopy (SEM) images showed targets had good crystallinity and elements were uniformly distributed. The target was typical densification process with sintering temperature of 850 ℃. The volatilization of In2O3 undermined the densification of the target, with condition of 900 ℃-60 min. It can be seen that increase of sintering temperature and elongation of preserving time could inhibit the In2O3 volatilization, facilitated the sintering densification of IZO target and formed the InZnOx crystal phase, thereby increased the density of the target. IZO TFTs′ performance showed the sputtering deteriorates the film quality with low-density target, and the grain of the high-density target was slightly abnormal, which resulted in deterioration of the film uniformity, all reduced the performance of TFT. Therefore, an appropriate high-density target was essential for the preparation of IZO-TFT."

Key words: Thin film transistors    IZO    Hot-pressing sintering    Target    Magnetron sputtering
收稿日期: 2017-03-13 出版日期: 2017-05-11
中图分类号:  O649  
基金资助: 国家重点研发计划(2016YFB0401105);国家自然科学基金(61204087);广州市珠江科技新星(2014J2200053);广东省科技计划(2015B090914003)
通讯作者: 兰林锋     E-mail: lanlinfeng@scut.edu.cn
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宋二龙
兰林锋
林振国
孙圣
宋威
李育智
高沛雄
张鹏
彭俊彪

引用本文:

宋二龙,兰林锋,林振国,孙圣,宋威,李育智,高沛雄,张鹏,彭俊彪. 热压烧结靶材制备氧化铟锌薄膜晶体管[J]. 物理化学学报, 2017, 33(10): 2092-2098, 10.3866/PKU.WHXB201705114

Er-Long SONG,Lin-Feng LAN,Zhen-Guo LIN,Sheng SUN,Wei SONG,Yu-Zhi LI,Pei-Xiong GAO,Peng ZHANG,Jun-Biao PENG. Preparation of Indium-Zinc-Oxide Thin Film Transistors by Hot-Pressing Sintering Target. Acta Phys. -Chim. Sin., 2017, 33(10): 2092-2098, 10.3866/PKU.WHXB201705114.

链接本文:

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201705114        http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2017/V33/I10/2092

图1  IZO靶材制备流程
图2  IZO靶材热压烧结曲线
图3  IZO-TFT结构示意图
图4  不同条件下制备IZO靶材XRD图谱
ItemT/℃Time/minZn/In molar ratioρ/(g?cm?3)Rate/(nm?min?1)
1850600.90/0.105.1132.70
2900600.93/0.074.8851.94
3950600.90/0.105.6102.38
4900900.88/0.125.3422.69
表1  不同条件下IZO靶材性能对比
Preparation conditionμsat/(cm2?V?1?s?1)Von/VSS/(V?dec?1)Ion/Ioff
850 ℃ -60 min14.61?2.20.221.25 × 107
900 ℃ -60 min11.06?3.20.237.97 × 106
950 ℃ -60 min10.08?3.50.258.89 × 106
900 ℃ -90 min16.25?2.20.272.19 × 107
表2  不同条件靶材制备的IZO-TFT性能对比
图5  不同条件下IZO靶材SEM图
图6  不同条件下IZO靶材EDS元素面分部图(In-蓝色,Zn绿色,O红色)
图7  IZO靶材制备薄膜的紫外可见透射光谱,所有薄膜均400 ℃退火30 min
图8  IZO靶材制备TFT的输出特性曲线
图9  IZO靶材制备TFT的转移特性曲线,每个器件的曲线含正扫和回扫两条曲线
图10  IZO-TFT的(a)正栅偏压(VG = 20V)以及负栅偏压(VG = -20V)稳定性
1 Park J. S. ; Kim T. W. ; Stryakhilev D. ; Lee J. S. ; An S. G. ; Pyo Y. S. ; Lee D. B. ; Mo Y. G. ; Jin D. U. ; Chung H. K. Appl. Phys. Lett. 2009, 95, 13503.
doi: 10.1063/1.3159832
2 Riedl T. ; Gorrn P. ; Kowalsky W. J. Disp. Technol. 2009, 12 (5), 501.
doi: 10.1109/JDT.2009.2023093
3 Oh S. ; Bong S. ; Yang Y. ; Kim U. K. ; Sang J. ; Han H. ; Kim S. ; Jeong J. K. ; Kim H J. J. Phys. D: Appl. Phys. 2014, 47, 165103.
doi: 10.1088/0022-3727/47/16/165103
4 Park H. W. ; Song A. R. ; Kwon S. ; Ahn B. D. ; Chung K. B. Appl. Phys. Express 2016, 9, 111101.
doi: 10.7567/APEX.9.111101
5 Nomura K. ; Ohta H. ; Takagi A. ; Kamiya T. ; Hirano M. ; Hosono H. Nature 2004, 432, 488.
doi: 10.1038/nature03090
6 Fortunato E. ; Barquinha P. ; Martins R. Adv. Mater. 2012, 24, 2945.
doi: 10.1002/adma.201103228
7 Lan L. F. ; Zhang P. ; Peng J. B. Acta Phys. Sin. 2016, 65 (12), 128504.
doi: 10.7498/aps.65.128504
兰林锋; 张鹏; 彭俊彪. 物理学报, 2016, 65 (12), 128504.
doi: 10.7498/aps.65.128504
8 Wang X. Y. ; Dong G. F. ; Qiao J. ; Wang L. D. ; Qiu Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2010, 26 (01), 249.
doi: 10.3866/PKU.WHXB20100101
王小燕; 董桂芳; 乔娟; 王立铎; 邱勇. 物理化学学报, 2010, 26 (1), 249.
doi: 10.3866/PKU.WHXB20100101
9 Leenheer A. J. ; Perkins J. D. ; Van Hest M. F. ; Berry J. J. ; O'Hayre R. P. ; Ginley D. S. Phys. Rev. B 2008, 77 (12), 115215.
doi: 10.1103/PhysRevB.77.115215
10 Taylor M. P. ; Readey D. W. ; van Hest M. F. A. M. ; Teplin C. W. ; Alleman J. L. ; Dabney M. S. ; Gedvilas L. M. ; Keyes B. M. ; To B. ; Perkins J. D. ; Ginley D. S. Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 3169.
doi: 10.1002/adfm.200700604
11 Zhang G. M. ; Guo L. Q. ; Zhao K. S. ; Yan Z. H. Acta Phys. Sin. 2013, 62 (13), 137201.
doi: 10.7498/aps.62.137201
张耕铭; 郭立强; 赵孔胜; 颜钟惠. 物理学报, 2013, 62 (13), 137201.
doi: 10.7498/aps.62.137201
12 Li Y. ; Sun C. W. ; Liu Z. W. ; Zhang Q. Y. Acta Phys. Sin. 2006, 55 (8), 4232.
李勇; 孙成伟; 刘志文; 张庆瑜. 物理学报, 2006, 55 (8), 4232.
13 Asmar R. A. ; Ferblantier G. ; Mailly F. ; Gall B. P. ; Foucaran A. Thin Solid Films 2005, 473, 49.
doi: 10.1016/j.tsf.2004.06.156
14 Zhao J. ; Hu L. ; Liu W. ; Wang Z. Appl. Surf. Sci. 2007, 253, 6255.
doi: 10.1016/j.apsusc.2007.01.089
15 Tominaga K. ; Murayama T. ; Umezu N. ; Mori I. ; Ushiro T. ; Moriga T. ; Nakabayashi I. Thin Solid Filnls 1999, 343, 160.
16 Ni J. M. ; Cheng J. J. Hubei Univ. Educ. 2012, 29 (2), 71.
倪佳苗; 程娟. 湖北第二师范学院学报, 2012, 29 (2), 71.
17 Song E. L. ; Lan L. F. ; Xiao P. ; Lin Z. G. ; Sun S. ; Li Y.Z. ; Song W. ; Gao P. X. ; Peng J. B. IEEE Trans. Electron Devices 2016, 63 (5), 1916.
doi: 10.1109/TED.2016.2543023
18 Hua X. ; Lan L. F. ; Li M. ; Luo D. X. ; Xiao P. ; Lin Z. G. ; Ning H. L. ; Peng J. B. Acta Phys. Sin. 2014, 63 (03), 452.
doi: 10.7498/aps.63.038501
徐华; 兰林锋; 李民; 罗东向; 肖鹏; 林振国; 宁洪龙; 彭俊彪. 物理学报, 2014, 63 (03), 452.
doi: 10.7498/aps.63.038501
19 Guo W. ; Wang W. M. ; Wang H. ; Wang Y. C. ; Fu Z. Y. Adv. Mater. Res. 2009, 66, 96.
doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.66.96
20 Guo S. J. Powder sintering theory Beijing: Metallurgical IndustryPress, 1998, p 11.
果世驹. 粉末烧结理论, 北京: 冶金工业出版社, 1998, 11.
21 Liu, L. J. Preparation of Zinc Oxide Ceramic Target. M.S. Dissertation, Hebei University of Technology, Tianjin, 2008.
刘丽杰.氧化锌陶瓷靶材的制备[D].天津:河北工业大学, 2008.
22 Tong Y. P. ; Lai X. H. ; He W. L China Ceram. Ind. 2013, 20 (2), 6.
童义平; 赖秀红; 何午琳. 中国陶瓷工业, 2013, 20 (2), 6.
23 Son K. Y. ; Park D. H. ; Lee J. H. ; Kim J. J. ; Lee J. S. Solid State Ionics 2004, 172, 425.
doi: 10.1016/j.ssi.2004.03.028
24 Wu M. W. ; Chang S. H. ; Chaung W. M. ; Huang H. S. J. Eur. Ceram. Soc. 2015, 35, 3893.
doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2015.06.029
25 Bai X. ; Wang X. M. ; Han C. ; Chu M. Y. ; Duo H. Y. ; Sun J. Chin. J. Rare Met. 2011, 35 (6), 892.
doi: 10.3969/j.issn.0258-7076.2011.06.01
白雪; 王星明; 韩仓; 储茂友; 段华英; 孙静. 稀有金属, 2011, 35 (6), 892.
doi: 10.3969/j.issn.0258-7076.2011.06.01
[1] 夏继业,董国栋,田博元,严秋平,韩杰,邱松,李清文,梁学磊,彭练矛. 碳纳米管薄膜晶体管中的接触电阻效应[J]. 物理化学学报, 2016, 32(4): 1029-1035.
[2] 李辉, 刘向鑫, 张玉峰, 杜忠明, 杨彪, 韩俊峰, BESLAND Marie-Paule. 一种在室温合成具有宽带隙CdS的简单方法[J]. 物理化学学报, 2015, 31(7): 1338-1344.
[3] 赵青靓, 刘旸, 魏楠, 王胜. 自组装半导体碳纳米管薄膜的光电特性[J]. 物理化学学报, 2014, 30(7): 1377-1383.
[4] 陈芃, 谭欣, 于涛. 总气压与Ar/O2流量比对直流对向靶磁控溅射TiO2薄膜光催化性能的影响[J]. 物理化学学报, 2012, 28(09): 2162-2168.
[5] 胡文亮, 徐刚, 马健伟, 熊斌, 史继富. TixV1-xO2薄膜的光学及相变特性[J]. 物理化学学报, 2012, 28(06): 1533-1538.
[6] 颜秉熙, 罗胜耘, 沈杰. 直流反应磁控溅射制备的Mo掺杂TiO2薄膜的光电特性[J]. 物理化学学报, 2012, 28(02): 381-386.
[7] 徐浩, 陆昉, 傅正文. 磁控溅射中靶-基底距离与Si共掺对ZnO:Al薄膜性质的影响[J]. 物理化学学报, 2011, 27(05): 1232-1238.
[8] 吴涛, 陶杰, 邓杰, 汤育欣, 朱宏, 高朋. 柔性不锈钢基底上一维TiO2纳米线薄膜的制备及表征[J]. 物理化学学报, 2010, 26(11): 3087-3094.
[9] 孙文立, 徐军, 陆文琪. 等离子体增强磁控溅射沉积碳化硅薄膜的化学结构与成膜机理[J]. 物理化学学报, 2010, 26(08): 2311-2316.
[10] 申茜, 甘霖, 刘松, 曹阳, 王振兴, 惠静姝, 郭雪峰. 通过构象诱导电感耦合机制光可逆调控有机场效应晶体管的性能[J]. 物理化学学报, 2010, 26(07): 1941-1946.
[11] 王小燕, 董桂芳, 乔娟, 王立铎, 邱勇. 溶液法制备的氧化锌多层膜及其场效应性质[J]. 物理化学学报, 2010, 26(01): 249-252.
[12] 郑华均, 王醒东, 顾正海. 高度有序氧化钨纳米棒的制备和表征[J]. 物理化学学报, 2009, 25(08): 1650-1654.
[13] 曹永强, 龙绘锦, 陈咏梅, 曹亚安. 金红石/锐钛矿混晶结构的TiO2薄膜光催化活性[J]. 物理化学学报, 2009, 25(06): 1088-1092.
[14] 汤育欣, 陶杰, 张焱焱, 吴涛, 陶海军, 包祖国. 导电玻璃上室温沉积钛膜及TiO2纳米管阵列的制备与表征[J]. 物理化学学报, 2008, 24(12): 2191-2197.
[15] 汤育欣;陶杰;陶海军;吴涛;王玲;张焱焱;李转利;田西林. 透明TiO2纳米管/FTO电极制备及表征[J]. 物理化学学报, 2008, 24(06): 1120-1126.