劉玉榮 任力飛 楊任花 韓靜 姚若河 溫智超 徐海紅 許佳雄

(1.華南理工大學電子與信息學院，廣東廣州510640;2.華南理工大學廣東省短距離無線探測與通信重點實驗室，廣東廣州510640;3.華南理工大學 物理系，廣東 廣州510640)

薄膜晶體管(TFT)因在平板及柔性顯示、集成傳感器等領域具有廣闊的應用前景而受到廣泛的關注［1-3］.目前，TFT 器件主要包括非晶硅 TFT［4］、多晶硅 TFT［5］、有機 TFT［6-7］和氧化物 TFT［8］.非晶硅TFT具有制備溫度低、成本低廉等特點，但其載流子遷移率相對較低(小于1 cm2/(V·s)).多晶硅TFT的載流子遷移率雖通常比非晶硅TFT高近兩個數(shù)量級，但因其較高的工藝溫度而導致其在玻璃或柔性塑料基底上成膜困難，從而使得器件的制備成本相對昂貴.在有機TFT中，基于可溶性有機材料的TFT因具備機械性能好、熱穩(wěn)定性高、成膜方法簡單經濟以及特別適合于制備大面積器件等特點而更具應用潛力，但其載流子遷移率通常小于1 cm2/(V·s)，而且有機器件目前還存在穩(wěn)定性較差、壽命短、環(huán)境不友好等缺陷，從而限制了其實際應用.另外，硅基TFT和有機TFT普遍對可見光較為敏感，在顯示技術領域應用中影響開口率，且會增加工藝的復雜性.與硅基TFT和有機TFT相比，ZnO基TFT因具有高遷移率、可見光透明、環(huán)境友好等優(yōu)勢而在平板顯示的應用中可獲得更大的驅動電流和更高的開口率.ZnO有源層的制備及特性對ZnO基TFT器件性能起決定性作用.目前，ZnO有源層的制備方法包括脈沖激光沉積法［9］、射頻磁控濺射法［10-11］、原子層沉積法［12］、化學氣相沉積法［13］和反應電子束蒸發(fā)法［14］等.其中采用磁控濺射法制備出的有源半導體層因能兼顧高遷移率、面積大等優(yōu)點而被廣泛采用.然而，目前采用ZnO作濺射靶沉積的ZnO薄膜普遍存在大量的氧穴位，導致 ZnO-TFT呈現(xiàn)出不穩(wěn)定性.

文中以高純Zn作濺射靶，采用反應濺射法生長ZnO薄膜制備底柵頂接觸型ZnO-TFT器件，在不同溫度下對ZnO薄膜進行退火處理，研究退火溫度(t)對ZnO-TFT器件性能的影響及其機理.

1 實驗

以電阻率為0.6 ～1.2 Ω·cm、晶向為 (100)的n+型單晶硅片作襯底和柵(G)電極，采用標準硅平面工藝清洗硅片后，用20%(體積分數(shù))的HF溶液除去硅片表面的自然氧化層，然后采用熱氧化法生長SiO2薄膜作為柵介質層，用稀釋的HF溶液擦去硅片背面的氧化層后，采用磁控濺射法在SiO2層上沉積一層ZnO薄膜作為半導體活性層.濺射時采用高純Zn(純度為99.99%)作為靶材，射頻功率為60W，基底溫度為300℃，Ar與O2的流量比為6∶5，濺射前反應室真空度為4×10－4Pa，濺射時反應室氣壓為0.5Pa，濺射時間為80 min.ZnO沉積后將基片置于N2保護氣氛下退火處理1h，退火溫度分別為500、600和700℃，最后采用真空鍍膜技術通過掩膜版，在真空度為2×10－3Pa條件下蒸發(fā)Al形成源(S)、漏(D)電極，制備出底柵頂接觸型ZnO-TFT，器件結構剖面如圖1所示.ZnO-TFT器件的溝道長度(L)與寬度(b)由所用掩膜版圖形來確定，分別為30和400μm.利用BX51M金相顯微鏡(日本奧林巴斯公司)測量電極面積，Agilent 4284A電容分析儀(美國安捷倫公司)測量Al/ZnO/SiO2/Si結構的電容－電壓特性，從而計算出單位面積柵介質電容(Cox)，為2.6 ×10－8F/cm2.ZnO-TFT 器件的電特性利用Agilent 4156C半導體參數(shù)分析儀(美國安捷倫公司)及CASCADE RF-1探針臺(美國CASCADE公司)組成的測試系統(tǒng)進行測試，器件特性測試在室溫無光照的普通空氣環(huán)境下實現(xiàn).

圖1 ZnO-TFT器件結構剖面圖Fig.1 Cross section view of ZnO-TFT device

文中采用CPSM4000S型原子力顯微鏡(AFM，廣州本原納米儀器有限公司)觀察ZnO薄膜的表面形貌，分析晶粒大小;用D8 Advance型X射線衍射儀(XRD，德國布魯克公司)分析ZnO薄膜的結晶狀況;運用Axis uHru DCD型X射線光電子能譜儀(XPS，英國克雷斯托公司)分析ZnO薄膜中的元素組分.

2 結果與討論

2.1 ZnO薄膜的特性

圖2 不同溫度下退火處理后的ZnO薄膜的AFM形貌Fig.2 AFM images of the surface of ZnO films annealed at different temperatures

不同溫度下退火處理后ZnO薄膜的AFM形貌如圖2所示，退火時間為1h.從圖2可知，隨著退火溫度的升高，ZnO薄膜的晶粒直徑逐漸增大，由原子力顯微鏡的相應軟件分析得到平均晶粒直徑先由500℃的61.7nm增加到600℃的73.8nm，然后增加到700℃的98.1nm.由圖2還可看出，隨著退火溫度的升高，晶粒外形更為規(guī)整，顆粒尺寸更加均勻，表面變得更為光滑.

圖3給出了不同溫度下退火處理后ZnO薄膜的XRD譜圖.由圖3可明顯看出:500℃下退火處理后的ZnO薄膜的XRD譜存在一個很強的(100)晶面衍射峰，而(002)晶面衍射峰相對較弱;當退火溫度升高時，(100)晶面衍射峰變弱甚至消失，而(002)衍射峰明顯增強.這說明低溫下退火處理ZnO薄膜主要以(100)方向作為擇優(yōu)取向晶面，高溫下退火處理則主要以(002)方向為擇優(yōu)取向晶面.隨著退火溫度的升高，(002)衍射峰的半高峰寬逐漸減小，說明ZnO薄膜中的晶粒尺寸隨退火溫度的升高而增大.

圖3 不同溫度退火處理后ZnO薄膜的XRD譜圖Fig.3 XRD spectrums of ZnO films annealed at different temperatures

2.2 ZnO薄膜晶體管的電特性

圖4給出了3種不同溫度下退火處理的ZnOTFT器件的輸出特性曲線，退火時間為1 h.從圖4可知:柵電壓(UGS)和漏電壓(UDS)均為正偏壓，說明所沉積ZnO薄膜為n型半導體層;不同溫度下退火處理的樣品的飽和行為存在一定的差異，700℃下退火處理的樣品的飽和行為明顯優(yōu)于500和600℃下處理的樣品.這可以解釋為:對工作于積累狀態(tài)下的ZnO-TFT，在開態(tài)下漏電流(IDS)由溝道電流和本體電流兩部分構成，所以本體電阻增大有利于改善漏電流的飽和特性，由圖5可知，較高溫度下退火的樣品，在零柵電壓下漏電流明顯減小，即ZnO薄膜的本體電阻增大，故飽和特性有所改善.從圖4還可以看出，在相同的柵電壓下飽和區(qū)漏電流隨退火溫度的升高而明顯增加，在柵電壓為50V時，對于500℃下退火的樣品，其飽和區(qū)漏電流僅為100μA;而對于700℃下退火的樣品，其飽和區(qū)漏電流高達915μA，這主要是由于ZnO薄膜質量改善而引起遷移率提高所致的.

圖4 不同溫度下退火處理的ZnO-TFT的輸出特性曲線Fig.4 Output characteristics of ZnO-TFT devices subjected to annealing at different temperatures

為進一步分析退火溫度對ZnO-TFT器件性能參數(shù)的影響，圖5給出了3種不同溫度下退火處理的ZnO-TFT器件的轉移特性曲線.由圖5可知，晶體管呈現(xiàn)出開關特性，柵電壓能控制漏電流的變化，當柵偏壓加負向電壓且不斷增加時，漏電流無明顯增加，晶體管處于關斷狀態(tài)，而當柵偏壓加正向電壓且不斷增加時，晶體管進入開通狀態(tài).對于薄膜晶體管而言，晶體管處于飽和狀態(tài)時的飽和電流ID，sat通?？杀硎緸?/p>

圖5 不同溫度下退火處理的ZnO-TFT的轉移特性曲線Fig.5 Transfer characteristics of ZnO-TFT devices subjected to annealing at different temperatures

式中，μeff為薄膜晶體管的飽和區(qū)載流子有效場效應遷移率，UT為閾值電壓.因此，器件的有效場效應遷移率可從與U變化關系并通過式(2)求得:GS

表1 不同溫度退火處理后ZnO-TFT的主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of ZnO-TFT devices subjected to annealing at different temperatures

從表1可知，隨著ZnO薄膜退火溫度的升高，ZnO-TFT的有效場效應遷移率明顯提高.結合前文分析可知，這主要是因為隨著退火溫度的升高，ZnO薄膜的晶粒尺寸增大以及晶粒表面更為光滑.另外還發(fā)現(xiàn)，盡管500℃下退火處理的ZnO薄膜出現(xiàn)較強的(100)衍射峰，呈現(xiàn)出較強的(100)方向的結晶擇優(yōu)取向(見圖3)，但對應的ZnO-TFT的有效場效應遷移率卻相對較低，這表明控制 ZnO薄膜沿(002)方向擇優(yōu)生長有利于提高ZnO-TFT遷移率.從表1還可知，隨著退火溫度的升高，閾值電壓明顯減小，在測量范圍內的開關電流比明顯提高.通過XPS分析發(fā)現(xiàn)，700℃下退火處理后的ZnO薄膜中的O、Zn原子比(2∶1)明顯小于500℃下退火處理后的ZnO薄膜中的O、Zn原子比(4∶1)，這些偏離化學計量比的過剩氧在ZnO薄膜中引入缺陷態(tài)，從而引起閾值電壓和關態(tài)電流的增加，致使閾值電壓隨退火溫度升高而減小.開關電流比之所以隨退火溫度的升高而增加，一方面是由于遷移率的增大，另一方面是由于關態(tài)電流的減小.

值得注意的是，從圖5可知，3種退火溫度所制備的ZnO-TFT的關態(tài)電流都相對過大，最小的關態(tài)電流高達4.4 μA.過大的關態(tài)電流一方面來源于ZnO薄膜中的過剩氧所引入的缺陷態(tài)，另一方面與溝道區(qū)之外ZnO薄膜的寄生電阻效應有關.當晶體管處于關斷狀態(tài)時，溝道區(qū)之外的寄生電阻與耗盡狀態(tài)下的溝道電阻并聯(lián)，此時這個寄生電阻對溝道電阻起到短路作用，從而呈現(xiàn)出相對高的關態(tài)電流.因此，可以通過減小ZnO薄膜中的缺陷態(tài)和對溝道區(qū)之外的ZnO薄膜進行刻蝕處理來實現(xiàn)ZnO-TFT關態(tài)電流的減小.

3 結語

文中以硅單晶片作襯底，采用磁控濺射沉積ZnO薄膜成功地制備出了ZnO-TFT，在不同溫度下對ZnO薄膜進行退火處理來改善ZnO-TFT的電特性.結果表明，隨著退火溫度的升高，閾值電壓減小，開關電流比升高，遷移率增大，700℃退火的樣品遷移率達8.00 cm2/(V·s).這是因為隨退火溫度的升高ZnO薄膜的晶粒尺寸增大且更均勻，晶粒外形更規(guī)整，晶粒表面更光滑，氧含量更少.然而，較高的退火溫度與玻璃和塑料基底不兼容，不利于低成本的應用需要，因此低溫下制備高性能ZnO-TFT將是下一步研究的重點.

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