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研究生:古浩勳
論文名稱:溶膠-凝膠法製備摻鎵之氧化銦鋅薄膜電晶體研究
論文名稱(外文):The Study on Sol-Gel Gallium Dope Indium Zinc Oxide Thin Film Transistors
指導教授:王右武
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:物理學系
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:70
中文關鍵詞:溶膠凝膠法氧化銦鋅
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本篇論文分為兩個部份,第一個部分採用液態凝膠法製備透明氧化物氧化銦鋅(IZO),第二個部分是將氧化銦鋅(IZO)做鎵(Ga)的摻雜,製作掺鎵(Ga)氧化銦鋅(IGZO)。使用旋轉塗佈的方式製作透明氧化薄膜做為薄膜電晶體(TFT)的半導體層。其製程優點為形成高同質性的薄膜、適合大面積的塗佈、不需要真空環境、低花費。我們嘗試調變不同的溶液配比,研究不同溶液比例對元件的影響,並且觀察在不同通道長度下元件的電性表現。進而希望能夠尋求更加穩定的元件製程,並且將製作更加穩定的薄膜電晶體特性為目標,以氧化銦鋅(IZO)為研究基礎,於其中摻雜鎵(Ga)這個元素,探討其對電晶體特性的影響。
This study was divided into two parts:1. The transparent oxide:Indium-Zinc Oxide (IZO) was prepared by sol gel solution process;2. IZO was doped with Gallium ion to prepare Indium-Gallium-Zinc Oxide. The transparent oxide film was applied as the semiconductor layer of TFT by spin coating. The advantages of this coating process were:high repeatable on film preparation、suitable for coating on broad area、no necessary of vacuum atmosphere、low cost of manufacture. The different compositions of solution were tested to observe the influence on element. The different channel lengths were tested to observe the influence on electric properties, too. The more stable making process of element was developed through the above observation. The final target was to get the stable TFT properties. The study of TFT properties were based on IZO and the doping of Gallium ion.
目錄
摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 VIII

第一章 前言 1
1-1透明導電氧化物簡介 1
1-2溶膠凝膠法簡介 2
1-3研究動機 3
1-4文獻回顧 4

第二章 實驗方法及量測 6
2-1實驗材料 6
2-2 元件的製作 6
2-2-1 基板清洗 6
2-2-2 旋轉塗佈法 6
2-2-3 元件製程 7
2-3 實驗設備 7
2-3-1原子力顯微鏡(AFM) 7
2-3-2多功能薄膜X光繞射儀(XRD) 8
2-3-3穿透式電子顯微鏡(TEM) 8
2-3-4掃描式電子顯微鏡(SEM) 8
2-3-5 X光光電子能譜儀(XPS) 9
2-3-6電流-電壓特性量測機台 9
2-3-7電性量測與參數萃取 10

第三章 摻銦之氧化鋅電晶體特性研究 15
3-1 前言 15
3-2 實驗內容 15
3-3實驗結果與探討 16
3-3-1不同比例之IZO薄膜分析 16
3-3-2元件的電性 18
3-3-3不同通道長度對元件特性的影響 19
3-3-4接觸電阻和通道電阻 19
3-4 結論 20

第四章 摻銦之氧化鋅電晶體特性研究 40
4-1 前言 40
4-2 實驗內容 40
4-3實驗結果與探討 41
4-3-1不同比例之IGZO薄膜分析 41
4-3-2元件的電性 42
4-3-3不同通道長度對元件特性的影響 43
4-3-4接觸電阻和通道電阻 43
4-4結論 43

第五章 結論與未來展望 68
5-1 結論 68
5-2 未來與展望 68
參考文獻 69




表目錄
表3-1.In:Zn=0.8:1 元件特性 21
表3-2.In:Zn=1:1 元件特性 21
表3-3.In:Zn=3:1 元件特性 21
表3-4.IZO不同比例的接觸阻值 21
表4-1.In:Ga=10:1,不同線寬(W/L=500/30~70)的IGZO元件電性 45
表4-2.In:Ga=10:1,不同線寬(W/L=500/30~70)的IGZO元件平均特性 45
表4-3.In:Ga=10:2,不同線寬(W/L=500/30~70)的IGZO元件電性 46
表4-4. In:Ga=10:2,不同線寬(W/L=500/30~70)的IGZO元件平均特性 46
表4-5. In:Ga=10:3,不同線寬(W/L=500/30~70)的IGZO元件電性 47
表4-6. In:Ga=10:3,不同線寬(W/L=500/30~70)的IGZO元件平均特性 47
表4-7. 不同摻鎵(Ga)比例的XPS表面元素組成分析 48
表4-8. 不同摻鎵(Ga)比例的ITO/IGZO界面接觸阻值 48

圖目錄
圖1-1 ZnO的纖鋅礦結構晶體結構 5
圖1-2. 溶膠凝膠相變化圖 5
圖2-1. 布拉格繞射示意圖。 13
圖2-2. BGBC元件結構圖 13
圖2-3.清洗機板流程圖 14
圖3-1. In:Zn=1:1 在W=500μm、L=10、30、50μm的飽和區(A) IdVg和(B) IdVd圖 22
圖3-2 (A)In:Zn=0.8:1在W=500μm、L=10、30、50μm的飽和區IdVg 23
圖3-2(B) In:Zn= 3:1在W=500μm、L=10、30、50μm的飽和區IdVg 23
圖3-3 (A)為IZO不同配比 載子遷移率(mobility)和通道長度(L)關係圖 24
圖3-3 (B)為IZO不同配比臨界電壓(Vth)和通道長度(L)關係圖 24
圖3-4 (A)為In:Zn=1:1時的元件轉換特性曲線圖 25
圖3-4 (B)為In:Zn=1:1時的元件輸出特性曲線圖 25
圖 3-5(A)為In:Zn=0.8:1時的元件轉換特性曲線圖 26
圖 3-5(B)為In:Zn=0.8:1時的元件輸出特性曲線圖 26
圖3-6. (A)為In:Zn=3:1時的元件轉換特性曲線圖 27
圖3-6 (B)為In:Zn=3:1時的元件輸出特性曲線圖 27
圖3-7(A)In:Zn=0.8:1不同銦鋅比例通道總電阻對通道長度關係圖 28
圖3-7(B) In:Zn= 1:1不同銦鋅比例通道總電阻對通道長度關係圖 28
圖3-7(C) In:Zn= 3:1不同銦鋅比例通道總電阻對通道長度關係圖 29
圖3-8 IZO在不同溶液配比下的XRD圖,由上至下分別是In/Zn=0.8、1、3 30
圖3-9 In:Zn=1:1薄膜SEM分析圖 31
圖3-9. (C)In:Zn=1:1薄膜SEM分析圖 32
圖3-10 In:Zn=1:1的薄膜歐傑縱深分析圖 33
圖3-11 In:Zn=1:1薄膜TEM分析圖 34
圖(C) In:Zn=1:1薄膜Index成分分析 35
圖3-12 In:Zn=1:1,XPS縱深分析 36
圖3-13(A)為In:Zn=1:1的AFM平面圖 37
圖3-13(B)為In:Zn=1:1的AFM 3D圖 37
圖3-14(A)為In:Zn=0.8:1的AFM平面圖 38
圖3-14(B)為In:Zn=0.8:1的AFM 3D圖 38
圖3-15(A)為In:Zn=3:1的AFM平面圖 39
圖3-15(B)為In:Zn=3:1的AFM 3D圖 39
圖4-1(A)為加入Ga=10%時的IGZO元件Vd=40V轉換特性曲線圖 49
圖4-1(B)為加入Ga=10%時的IGZO元件Vg=40V輸出特性曲線圖 49
圖4-2(A)為加入Ga=20%時的IGZO元件Vd=40V轉換特性曲線圖 50
圖4-2(B)為加入Ga=20%時的IGZO元件Vg=40V輸出特性曲線圖 50
圖4-3(A)為加入Ga=30%時的IGZO元件Vd=40V轉換特性曲線圖 51
圖4-3(B)為加入Ga=30%時的IGZO元件Vg=40V輸出特性曲線圖 51
圖4-4(A)為加入Ga=10%時的IGZO元件轉換特性曲線圖 52
圖4-4(B)為加入Ga=10%時的IGZO元件輸出特性曲線圖 52
圖4-5(A)為加入Ga=20%時的IGZO元件轉換特性曲線圖 53
圖4-5(B)為加入Ga=20%時的IGZO元件輸出特性曲線圖 53
圖4-6(A)為加入Ga=30%時的IGZO元件轉換特性曲線圖 54
圖4-6(B)為加入Ga=30%時的IGZO元件輸出特性曲線圖 54
圖4-7不同比例IGZO載子遷移率平均值和通道長度關係圖 55
圖4-8不同摻雜鎵比例之氧化銦鋅通道總電阻對通道長度關係圖,圖(A)Ga=10%,圖(B) Ga=20% 56
圖4-8不同摻雜鎵比例之氧化銦鋅通道總電阻對通道長度關係圖,圖(C) Ga=30% 57
圖4-9摻雜Ga=10%的IGZO薄膜SEM分析圖 58
圖4-9(C) 摻雜Ga=10%的IGZO薄膜SEM分析圖 59
圖4-10為摻雜Ga=10%的IGZO薄膜TEM分析圖,圖(A)為斷層掃描圖,圖(B)為繞射光譜 60
圖4-10(C)為摻雜Ga=10%的IGZO薄膜Index成分分析 61
圖4-11(A)為摻雜Ga=10%的IGZO薄膜XPS元素圖譜 62
圖4-11(B)為摻雜Ga=20%的IGZO薄膜XPS元素圖譜 63
圖4-11(C)為摻雜Ga=30%的IGZO薄膜XPS元素圖譜 64
圖4-12(A)為摻雜Ga=10%的IGZO薄膜AFM平面圖 65
圖4-12(B)摻雜Ga=10%的IGZO薄膜AFM 3D圖 65
圖4-13(A)為摻雜Ga=20%的IGZO薄膜AFM平面圖 66
圖4-13 (B)為摻雜Ga=20%的IGZO薄膜AFM 3D圖 66
圖4-14(A)為摻雜Ga=30%的IGZO薄膜AFM平面圖 67
圖4-14(B)為摻雜Ga=30%的IGZO薄膜AFM 3D圖 67

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