李遠(yuǎn)潔,江凱,劉子龍

(1.西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院, 710049, 西安;2.西安交通大學(xué)固態(tài)照明工程研究中心, 710049, 西安)

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低溫增強(qiáng)型非晶銦鎵鋅氧薄膜晶體管特性研究

李遠(yuǎn)潔1,2,江凱1,2,劉子龍1

(1.西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院, 710049, 西安;2.西安交通大學(xué)固態(tài)照明工程研究中心, 710049, 西安)

在室溫下利用射頻磁控濺射沉積非晶銦鎵鋅氧化物(a-IGZO)薄膜作為有源溝道層,分別制備了頂柵和底柵結(jié)構(gòu)的薄膜晶體管(a-IGZO-TFTs)原型器件,同時(shí)研究了溝道層生長參數(shù)及后退火工藝對(duì)器件特性的影響。研究及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)增加底柵結(jié)構(gòu)a-IGZO-TFTs器件IGZO溝道層氧氣流量時(shí),器件輸出特性由耗盡型轉(zhuǎn)變?yōu)樵鰪?qiáng)型;當(dāng)溝道寬長比為120∶20時(shí),獲得了4.8×105的開關(guān)電流比,亞閾值擺幅為1.2 V/dec,飽和遷移率達(dá)到11 cm2/(V·s)。溝道層氧氣流量為2 cm3/min的底柵結(jié)構(gòu)a-IGZO-TFT器件在大氣中經(jīng)過300 ℃退火30 min后,器件由耗盡型轉(zhuǎn)變?yōu)樵鰪?qiáng)型,獲得4×103的開關(guān)電流比。

薄膜晶體管;非晶銦鎵鋅氧化物;輸運(yùn)特性;磁控濺射沉積

未來顯示技術(shù)正朝向發(fā)展基于可彎曲襯底的柔性透明顯示技術(shù),這要求作為有源顯示關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)器件的薄膜晶體管(thin film transistor,TFT)中的溝道層具有大面積低溫制備和高可見光透過率的性能。因此,目前薄膜晶體管溝道層材料已由傳統(tǒng)非晶硅(a-Si)轉(zhuǎn)向非晶態(tài)InZnO(IZO)及InGaZnO(IGZO)等氧化物半導(dǎo)體薄膜材料[1-3]。相比于a-Si-TFT,基于非晶氧化物半導(dǎo)體溝道層的IGZO-TFT具有可室溫制備、高遷移率、高可見光透過率以及大面積均勻性良好等優(yōu)點(diǎn),推動(dòng)了柔性透明顯示技術(shù)的發(fā)展[4-6]。

2004年東京理工大學(xué)Nomura教授小組首次在柔性襯底上成功制備了非晶IGZO溝道層的透明TFT,獲得6～9 cm2/(V·s)的飽和遷移率,已達(dá)到主流顯示技術(shù)的驅(qū)動(dòng)性能要求[7]。此后,Wu Hung -Chi等人報(bào)道了基于玻璃襯底的非晶IGZO-TFT,經(jīng)快速退火處理之后,獲得了3×106的器件開關(guān)電流比,飽和遷移率達(dá)到8.3 cm2/(V·s),亞閾值擺幅達(dá)到0.44 V/dec[8]。國內(nèi)上海大學(xué)李喜峰小組對(duì)IGZO-TFT光照穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)研究,發(fā)現(xiàn)白光對(duì)IGZO-TFT器件輸出特性影響很小,因而可用于透明顯示驅(qū)動(dòng)器件[9]。目前,基于非晶氧化物TFT器件介質(zhì)層材料的選擇、溝道層工藝參數(shù)及厚度控制已成為影響TFT器件穩(wěn)定性的瓶頸問題[10-15],調(diào)控并優(yōu)化非晶IGZO溝道層制備工藝參數(shù),對(duì)獲得性能穩(wěn)定的IGZO-TFT驅(qū)動(dòng)陣列具有關(guān)鍵和決定性的研究意義。

本文利用射頻磁控濺射法在室溫石英導(dǎo)電玻璃襯底上分別制備了以非晶IGZO作為溝道層的底柵和頂柵結(jié)構(gòu)的TFT原型器件,通過系統(tǒng)調(diào)控IGZO溝道層制備工藝中的氧氣流量、后處理退火工藝以及TFT溝道寬長比,獲得了增強(qiáng)型IGZO-TFT器件,并分析和討論了IGZO薄膜缺陷理論模型及對(duì)IGZO-TFT器件性能的影響機(jī)制。

1 實(shí) 驗(yàn)

室溫下利用射頻磁控濺射法在石英玻璃襯底上生長了非晶IGZO薄膜,沉積過程中IGZO靶材(成分為m(In2O3)∶m(Ga2O3)∶m(ZnO)=1∶1∶2)的濺射功率為100 W,分別制備了IGZO溝道層氧氣流量從0變化到5 cm3/min的頂柵和底柵結(jié)構(gòu)IGZO-TFT原型器件。

制備頂柵結(jié)構(gòu)TFT時(shí),首先采用光刻腐蝕工藝形成ITO源漏電極,然后利用電子束蒸發(fā)金屬Al作為柵極電極,再利用磁控濺射沉積100 nm非晶IGZO層作為有源溝道層,接著采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)法生長非晶SiO2層作為柵介電層,最后腐蝕定義出TFT器件溝道和柵結(jié)構(gòu)。底柵結(jié)構(gòu)TFT器件則采用Ti金屬作為源漏電極。頂柵和底柵IGZO-TFT器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,器件的光學(xué)顯微鏡俯視圖如圖2所示。

(a)頂柵結(jié)構(gòu)

(b)底柵結(jié)構(gòu)圖1 IGZO-TFT器件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 底柵結(jié)構(gòu)IGZO-TFT光學(xué)顯微鏡俯視圖

分別采用粉末X射線衍射儀(德國Bruker D8 Advance)和霍爾效應(yīng)系統(tǒng)(Lakeshore 7707A)對(duì)不同氧氣流量下IGZO薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和電輸運(yùn)性能進(jìn)行了表征。利用臺(tái)階輪廓儀(AMBIOS XP-2)測(cè)試薄膜厚度。采用半導(dǎo)體器件測(cè)試系統(tǒng)(Keithly 4200)表征IGZO-TFT器件的輸出和轉(zhuǎn)移特性曲線,測(cè)試均在室溫?zé)o光照條件下進(jìn)行。利用紫外可見光分光光度計(jì)(SHIMADZU U3600)測(cè)量IGZO-TFT器件在可見光范圍內(nèi)的光透過率。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧氣流量對(duì)頂柵IGZO-TFT器件性能的影響

圖3所示為X射線衍射測(cè)試結(jié)果,在不同氧氣流量下制備的IGZO薄膜在2θ為32°附近均呈現(xiàn)出寬衍射峰包,因此當(dāng)氧氣流量變化時(shí),均獲得了非晶結(jié)構(gòu)的IGZO薄膜。Hosono等人研究報(bào)道了In2O3-Ga2O3-ZnO材料體系中,當(dāng)In、Ga、Zn三者的原子比為1∶1∶1時(shí),三元氧化物IGZO呈現(xiàn)非晶結(jié)構(gòu)[16]。本文研究發(fā)現(xiàn),IGZO薄膜的非晶結(jié)構(gòu)只與其元素化學(xué)組成有關(guān),而與制備過程中的工藝參數(shù)無關(guān)。

圖3 不同氧氣流量下IGZO薄膜的X射線衍射譜

表1 不同氧氣流量下非晶IGZO薄膜的電輸運(yùn)性能

在研究非晶IGZO薄膜性能的基礎(chǔ)之上,本文制備了不同氧氣流量下以非晶IGZO作為溝道層的頂柵和底柵TFT器件。圖4a和4b分別是氧氣流量為0和5 cm3/min時(shí)頂柵結(jié)構(gòu)TFT器件的輸入輸出曲線。由圖4可見:隨著IGZO溝道層生長過程中氧氣流量的增加,器件的柵極電壓Vgs=0時(shí)的源漏電流Ids降低;隨著氧氣流量的增加,IGZO薄膜中作為電子施主的氧空位缺陷濃度降低,從而造成溝道層中載流子濃度降低,導(dǎo)致TFT源漏電流下降,并表現(xiàn)為更好的柵控特性和輸入飽和特性。

(a)沒有通入氧氣

(b)氧氣流量為5 cm3/min圖4 不同氧氣流量對(duì)頂柵IGZO-TFT器件輸出特性的影響

2.2 氧氣流量對(duì)底柵IGZO-TFT器件性能的影響

圖5a和5b分別為濺射過程中氧氣流量分別為2和5 cm3/min時(shí)的底柵IGZO-TFT輸入輸出特性曲線,金屬Ti為源漏電極。測(cè)試結(jié)果表明,隨著IGZO溝道層濺射過程中氧氣流量的增加,源漏電流Ids的飽和性增強(qiáng),當(dāng)氧氣流量達(dá)到5 cm3/min時(shí),器件顯示了良好的飽和特性。當(dāng)溝道層氧氣流量增加時(shí),溝道層中氧空位缺陷濃度降低,導(dǎo)致IGZO溝道中電子濃度減少,使TFT器件溝道層電流降低。因此,控制IGZO溝道層生長時(shí)的氧氣流量是調(diào)控TFT器件溝道層載流子濃度和源漏電流的有效方法,是獲得具有良好IGZO-TFT器件輸出特性的的關(guān)鍵工藝。

(a)氧氣流量為2 cm3/min

(b)氧氣流量為5 cm3/min圖5 不同氧氣流量對(duì)底柵IGZO溝道TFT輸出特性的影響(溝道寬長比為120 μm∶20 μm)

圖6 氧氣流量為5 cm3/min時(shí)底柵IGZO-TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線

(1)

(2)

式中:S為亞閾值擺幅。

表2所示為氧氣流量為5 cm3/min時(shí)不同溝道寬長比的底柵IGZO-TFT器件特性參數(shù)。根據(jù)式(1)計(jì)算獲得TFT器件飽和遷移率最大值為19 cm2/(V·s),高于IGZO薄膜的載流子遷移率5～12 cm2/(V·s)。由于IGZO溝道層導(dǎo)通后的邊緣場(chǎng)效應(yīng),溝道電力線向周圍擴(kuò)展,導(dǎo)致TFT器件的有效溝道寬度Weff大于溝道圖形設(shè)計(jì)寬度W,Okamura等人研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)增加氧化物TFT器件溝道寬長比時(shí),TFT器件溝道的有效寬度更趨近于溝道圖形設(shè)計(jì)寬度[19]。因此,由式(1)計(jì)算獲得的器件飽和遷移率要高于實(shí)際值。我們根據(jù)該模型對(duì)IGZO-TFT器件的飽和遷移率進(jìn)行了修正,修正后的飽和遷移率為10～11 cm2/(V·s),接近于非晶IGZO的實(shí)際霍爾遷移率。

表2 氧氣流量為5 cm3/min時(shí)IGZO-TFT的 電學(xué)特性參數(shù)

2.3 退火對(duì)器件性能的影響

本文還研究了后退火工藝對(duì)IGZO薄膜以及IGZO-TFT器件特性的影響。前期研究結(jié)果表明,IGZO薄膜經(jīng)過不同溫度下的退火處理未改變IGZO的非晶結(jié)構(gòu)[20]。圖7為溝道層氧氣流量為2 cm3/min時(shí)的IGZO-TFT在300 ℃大氣下退火30 min后的輸入輸出曲線。經(jīng)過大氣退火后,IGZO-TFT器件由耗盡型轉(zhuǎn)變?yōu)樵鰪?qiáng)型,具有良好的柵控和飽和特性,開關(guān)電流比達(dá)到103,飽和載流子遷移率為1.66 cm2/(V·s)。后退火工藝有效地降低了IGZO溝道中的氧空位濃度,從而降低了溝道層載流子濃度。

圖7 氧氣流量為2 cm3/min時(shí)的IGZO-TFT退火后輸出曲線

3 結(jié) 論

在室溫下玻璃襯底上制備了以非晶IGZO作為溝道層的頂柵和底柵結(jié)構(gòu)IGZO-TFT器件,通過研究IGZO溝道層沉積過程中氧氣流量對(duì)器件特性的影響,我們發(fā)現(xiàn)隨著氧氣流量的增加,IGZO-TFT器件由耗盡型轉(zhuǎn)變?yōu)樵鰪?qiáng)型。當(dāng)氧氣流量為5 cm3/min時(shí),開關(guān)電流比為4.8×105,亞閾值擺幅最低為1.2 V/dec,閾值電壓為6.8 V的器件特性。器件飽和遷移率經(jīng)過對(duì)溝道有效寬度的修正后為10～11 cm2/(V·s)。此外,我們還研究了低溫退火工藝對(duì)IGZO-TFT器件性能的影響,300 ℃大氣退火后IGZO-TFT器件由耗盡型轉(zhuǎn)變?yōu)樵鰪?qiáng)型。研究表明,通過調(diào)控IGZO溝道層沉積時(shí)氧氣流量而控制溝道載流子濃度是獲得良好飽和特性增強(qiáng)型IGZO-TFT器件的關(guān)鍵因素。

致謝 感謝西安交通大學(xué)微電子系張國和副教授參與本文工作的討論;感謝西安交通大學(xué)物理電子與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供磁控濺射和探針臺(tái)TFT器件測(cè)試條件。

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(編輯 劉楊)

Characteristics Study of Low Temperature Enhanced Amorphous InGaZnO Thin Film Transistors

LI Yuanjie1,2,JIANG Kai1,2,LIU Zilong1

(1. School of Electronics and Information Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. Center of Solid State Lighting Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Transistors with top bottom-gate thin films and a-IGZO as the active channel layers (a-IGZO-TFTs) are developed by using magnetron sputtering deposition at room temperature. The characteristics of the a-IGZO-TFTs are investigated with regard to oxygen flow rate and post-annealing process. The output characteristics of the bottom-gate a-IGZO-TFTs convert from depletion to enhancement when the oxygen flow rate increases during deposition of the a-IGZO active layer. The a-IGZO-TFTs with a channel width/length ratio of 120∶20 show good electrical properties with an on/off current ratio of 4.8×105, a subthreshold swing of 1.21 V/dec and a saturation mobility of 11 cm2/(V·s). After the a-IGZO-TFTs with active layer deposited at 2 cm3/min oxygen flow rate are annealed at 300 ℃ in air for 30 min, the devices show good enhancement characteristics with on/off current ratio of 4×103.

thin film transistors; amorphous indium gallium zinc oxide; transport properties; magnetron sputtering deposition

2015-04-23。

李遠(yuǎn)潔(1974—),女,副教授,博士生導(dǎo)師。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10904121);陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015JM6281);教育部回國留學(xué)人員啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(10回國基金11)。

時(shí)間:2015-10-03

10.7652/xjtuxb201512001

TN321.5

A

0253-987X(2015)12-0001-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151003.1919.006.html