朱德明 門傳玲 曹 敏吳國棟

1)(上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093)

2)(中國科學院寧波材料技術與工程研究所，寧波 315201)

(2012年11月9日收到;2013年2月3日收到修改稿)

1 引言

最近，一種側柵結構的新型場效應薄膜晶體管受到了廣泛關注[1,2].該器件在制備過程中采用自對準技術，其源，漏，柵極都在同一平面內[2]，器件結構得到極大簡化，從而降低了制備難度并減小了工藝成本.這種新型的側柵場效應薄膜晶體管結構，在未來的邏輯電路和存儲電路的應用中都極具前景[3,4].然而，其制備工藝中通常需要精準的光刻技術，使得該器件的制備過程仍然比較復雜.并且側柵結構薄膜晶體管的柵介質的等效電容基于兩個電容的串聯(lián)模型[5]，因而電容較小，工作電壓高，嚴重制約了其應用于實際的便攜式電子產品中.

為了實現(xiàn)器件在低電壓下工作，國內外很多課題組研究采用具有雙電層大電容特性的聚合物電解質或離子液充當柵介質[6-8]，來增大器件電容，提高柵極與溝道層間的電容耦合，從而降低薄膜晶體管的工作電壓.近來，Crispin[9,10]等人報道了一種新型的利用聚合物電解質來作柵介質的有機雙電層薄膜晶體管，柵介質單位面積電容高達10μF/cm2，工作電壓可降低至1V左右.但有機薄膜晶體管存在遷移率低(＜1 cm2/V·s)，熱穩(wěn)定性差，制備過程復雜等缺點[11]，因此，急需探索研究出具有高遷移率，性能穩(wěn)定，制備過程簡單的薄膜晶體管.

近來，本課題組采用具有雙電層效應的P摻雜SiO2作為柵介質，在室溫下制備了一種新型的側柵結構薄膜晶體管.由于采用獨特的側柵結構，在射頻磁控濺射過程中，僅僅利用一塊鎳掩模板，無需復雜的光刻步驟，就可同時沉積出ITO源、漏、柵電極和溝道，其中溝道層通過掩模板衍射自組裝形成，濺射出的ITO顆粒通過衍射作用進入并沉積在鎳掩模板覆蓋的區(qū)域，這樣在ITO源漏極形成的同時，兩極之間由于ITO衍射作用形成一層薄薄的ITO溝道層.并對這種晶體管的電學性能進行了詳細的研究，而且對在P摻雜SiO2柵介質層與溝道層界面處形成的超大雙電層電容(8μF/cm2)機理進行了著重分析.結果表明，這種P摻雜SiO2薄膜晶體管具有極低的工作電壓1 V，小的亞閾值擺幅82 mV/dec、高的遷移率18.35 cm2/V·s和大的開關電流比1.1×106等優(yōu)良性能.

2 實驗

如圖1(a)所示，該器件以ITO導電玻璃為襯底.首先，向抽真空至3×10-3Pa的PECVD腔體中通入Ar啟輝，5 min穩(wěn)定后，再以SiH4(其中摻有體積分數為5%的PH3)和O2為反應氣體，反應過程的壓強為30 Pa，Ar、SiH4(PH3體積分數5%)、O2的流量比為60：10：60，射頻電源的功率為100 W，沉積時間為60 min，得到約4μm厚的P摻雜SiO2柵介質層.然后，在已制備好的P摻雜SiO2表面固定一塊鎳掩模板，在0.5 Pa的Ar氣環(huán)境中射頻磁控濺射沉積一層約200 nm厚ITO源、漏、柵電極，濺射出的ITO顆粒會通過衍射作用進入并沉積在鎳掩模板覆蓋的區(qū)域，這樣ITO源漏極形成的同時，兩極之間一層薄薄的ITO溝道層就由于衍射同時形成了，溝道層最薄處厚度約30 nm，沉積過程如圖1(b)所示.本實驗采用ITO靶材(質量分數為90%的In2O3和10%的SnO2)，射頻電源的功率為100 W，濺射時間為15 min.整個實驗過程都在室溫下完成.如圖2所示，柱狀微孔結構的P摻雜SiO2柵介質截面形貌采用場發(fā)射掃描電鏡測試(HitachiS-4800SEM).器件的電學特性由Keithley4200半導體參數分析儀在室溫下無光環(huán)境中測試得到.

3 結果與討論

在本文提到的側柵結構中，如圖1(a)所示，側柵結構薄膜晶體管的柵介質的等效電容基于兩個電容串聯(lián)的模型得到，每個電容都是一個單獨的雙電層電容，C1和C2能很好的通過ITO層串聯(lián)起來[4].

從圖3(a)可以看出，電容隨頻率的減小而增大，并到1 Hz時達到最大值8μF/cm2.然而，根據傳統(tǒng)的電容理論：C= εoεr/d(εo是真空介電常數，εr是相對介電常數，d是柵介質厚度)計算得到的電容為8.6×10-4μF/cm2.很明顯，理論計算結果比實驗結果小了四個數量級.對此，我們提出用雙電層理論來解釋這種超級大電容形成的原因[12,13]：在本課題組以前的研究中，SiO2柵介質與溝道界面處也能形成雙電層電容2.7μF/cm2[14]，本文中形成的大電容，是由于P的摻入，柵介質中含有P3+，空氣中的H2O分子能滲透到這種疏松的孔隙柵介質結構中(如圖2所示)，與P3+結合形成H3PO3，相對于傳統(tǒng)的SiO2柵介質，它會產生更多的H+;并且P的摻入，會使Si-OH+-Si的鍵能變弱，因而質子導電性增強[15].從圖2可以看出，這種P摻雜SiO2柵介質具有疏松、柱狀的排列結構，其間存在很多孔隙，正是由于具有這種疏松的孔隙結構，當給柵極外加正向偏壓時，H+通過柱狀陣列的間隙向柵介質和溝道層表面移動，在溝道層內產生大量的相反電荷，形成雙電層，從而獲得大電容.

圖1 (a)器件結構示意圖;(b)ITO沉積過程示意圖

圖2 P摻雜SiO2掃描電鏡圖

圖3 (a)電容和相位角隨頻率變化的曲線;(b)P摻雜SiO2柵介質漏電流曲線

圖3(b)為P摻雜SiO2柵介質漏電流曲線.1 V偏壓下漏電流約為3 nA，遠遠小于聚合物電解質的漏電流(～0.1μA)[9-11].所得的漏電流比溝道電流小5個數量級，這就表明P摻雜SiO2柵介質沒有明顯的電化學現(xiàn)象，離子電流也很小，具有較好的絕緣特性，能夠保證器件的正常工作而不受柵漏電流的影響[13,16].

圖4(a)是該器件的輸出特性曲線(Ids-Vds).Vds由0 V掃描至1 V，同時，Vgs由0 V掃描至1 V，每次增加0.2 V.由圖4(a)可知，較高的Vds下器件顯示出了良好的電流飽和特性，而在較低Vds下Ids也具有很好的線性特性，器件具有良好的歐姆接觸，在偏壓Vds=1 V和Vgs=1 V下具有較高的飽和電流(～200μA).由于P摻雜SiO2柵介質和溝道界面處的雙電層效應，形成了較大電容，所以本器件顯示出了超低的工作電壓1 V.

圖4 (a)該器件的Ids-Vds輸出特性曲線;(b)該器件的Ids-Vgs轉移特性曲線，以及Vds=1 V下對應的曲線

上式中 L為溝道長度 80μm，W 為溝道寬度1000μm，Ci為 P摻雜 SiO2柵介質單位面積電容.通過計算可得，飽和區(qū)場效應遷移率μFE約為 18.35 cm2/V·s.

圖5 該器件的脈沖響應曲線

圖5為該器件的脈沖響應圖.在Vds外加電壓1 V，Vg外加-1 V和1 V的脈沖測試信號下，沒有明顯的電流損失，并且維持穩(wěn)定的開關電流比，這表明ITO溝道層和這種顆粒膜P摻雜SiO2柵介質之間沒有明顯的電化學摻雜發(fā)生[14]，器件顯示出了較好的穩(wěn)定性.

4 結論

采用P摻雜SiO2作為柵介質，應用于側柵結構的薄膜晶體管中，在柵極外加正壓情況下，具有更多的H+等可移動離子移動到柵介質絕緣層的上表面與溝道感應電子形成極強雙電層效應，獲得大電容(8μF/cm2).使該器件具有超低的工作電壓1 V，小的亞閾值擺幅82 mV/dec、高的遷移率18.35 cm2/V·s和大的開關電流比1.1×106.并且采用獨特的側柵結構，在射頻磁控濺射過程中，利用一步掩膜法，就可同時沉積出ITO源、漏、柵電極和溝道，因而極大的簡化了制備流程，降低了工藝成本.因此，這種P摻雜SiO2側柵結構薄膜晶體管在未來的低功耗電子器件及新型傳感器領域的應用中都極具前景.

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