陳文彬， 何永陽， 陳 贊

(電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院, 成都 610054)

0 引 言

薄膜晶體管技術(shù)是平板顯示的核心技術(shù)[1]，其所采用的半導(dǎo)體材料經(jīng)歷了氫化非晶硅(α-Si:H)、納米晶硅和低溫多晶硅(LTPS)的發(fā)展[2-3]。近年來更是出現(xiàn)了以α-IGZO為代表的金屬氧化物TFT[4-5]，國內(nèi)也已經(jīng)將α-IGZO TFT引入到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[6]。

TFT性能的高低以TFT的特性參數(shù)來表征，TFT的特性參數(shù)須從TFT電流-電壓特性，即轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線中提取。盡管Shur等建立了精確的α-Si:H TFT和LTPS TFT物理模型[7]，但是，由于物理概念清晰，使用相對簡單，TFT的電流-電壓特性仍然常用TFT的一級模型來描述，實(shí)驗(yàn)室中或新型TFT技術(shù)開發(fā)中經(jīng)常用來結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行TFT特性參數(shù)提取。TFT的一級模型與TFT的實(shí)際特性相差比較大，為了提取有意義的TFT特性參數(shù)，必須對測試條件及數(shù)據(jù)擬合范圍進(jìn)行仔細(xì)的鑒別。由于在教材甚至專著中往往對這一點(diǎn)避而不談[8-9]，因此對于學(xué)生和TFT的初級研究人員來說，往往對實(shí)驗(yàn)室中TFT的特性參數(shù)提取一頭霧水?；诖?，本文制備了α-IGZO TFT，根據(jù)測試曲線給出了α-IGZO TFT電特性參數(shù)的提取方法和提取結(jié)果。

1 α-IGZO TFT的結(jié)構(gòu)與制備

選用覆蓋有二氧化硅層的玻璃基板，采用如圖1所示的底柵反交疊ES結(jié)構(gòu)，溝道寬長比為20 μm/10 μm。200 nm厚的柵極金屬層和300 nm厚的源漏極金屬層采用直流磁控濺射制備。采用PECVD在350 ℃下形成SiOx柵極絕緣層，絕緣層單位面積電容為18 nF/cm2。采用射頻磁控濺射在室溫下形成50 nm厚的α-IGZO層，IGZO靶材組成按照分子比的典型值為In2O3∶Ga2O3∶ZnO =1∶1∶1，濺射氣體采用Ar/O2混合氣體，氧含量為4%，濺射功率為18.3 kW。由PECVD在200 °C下形成100 nm厚的SiOx薄膜并干法刻蝕形成刻蝕阻擋層。最后在空氣中200℃下退火1 h穩(wěn)定α-IGZO和金屬電極的接觸電阻。利用Keithley- 4200 SCS系統(tǒng)測試TFT的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性，所有測試均在室溫下進(jìn)行。

圖1 底柵反交疊刻蝕阻擋型α-IGZO TFT

2 α-IGZO TFT特性參數(shù)提取法與結(jié)果討論

2.1 TFT的一級近似模型

TFT工作時，加在柵極和源極間的電壓為UGS，正柵壓使α-IGZO的能帶在α-IGZO/SiOx界面向下彎曲，電子積累在α-IGZO/SiOx界面附近形成導(dǎo)電溝道，在漏源電壓UDS作用下，這些載流子在源漏間流通，從而在溝道中產(chǎn)生從漏極到源極的漏極電流ID。定義單位面積柵絕緣層的電容為Ci，TFT的場效應(yīng)遷移率為μFE。根據(jù)TFT的一級模型，當(dāng)UDS較小時，TFT工作于線性區(qū)，漏極電流IDlin為

(1)

式中：UDS≤UGS-UTH，UTH為閾值電壓，指的是產(chǎn)生明顯漏極電流時的外加?xùn)艍?。理想情況下，當(dāng)UGS

增大漏源電壓至漏極飽和電壓UDS sat=UGS-UTH時，漏極電流首先在漏端達(dá)到飽和，溝道夾斷。當(dāng)UDS>UDS sat時，漏極飽和電流ID sat為

(2)

2.2 線性區(qū)載流子遷移率和閾值電壓

當(dāng)UDS較小時，令

(3)

式(1)可以改寫為

IDlinn=μFEUGS-UTH

(4)

由式(4)可知，IDlinn與UGS成線性關(guān)系，直線與UGS軸的交點(diǎn)對應(yīng)TFT線性區(qū)閾值電壓，該直線的斜率即為TFT線性區(qū)載流子遷移率。α-IGZO TFT在UDS為0.1和1 V時的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖2所示，確定擬合區(qū)間時盡量選擇UGS比較大的值以避免非線性的影響。隨著UDS的升高，線性擬合之后的直線在UGS軸上的截距迅速變大，因此應(yīng)該選擇UDS很小時的曲線來作擬合，這時的值作為TFT的特性參數(shù)。擬合UDS為0.1 V時的曲線可得TFT線性區(qū)載流子遷移率和閾值電壓分別為6.27 cm2/V·s和7.7 V。

圖2 α-IGZO TFT線性區(qū)場效應(yīng)遷移率和閾值電壓

2.3 飽和區(qū)載流子遷移率和閾值電壓

TFT工作于飽和區(qū)時，令

(5)

由式(2)可以得到飽和區(qū)的歸一化漏極電流的平方根與UGS成正比，即

(6)

圖3 α-IGZO TFT飽和區(qū)場效應(yīng)遷移率和閾值電壓

2.4 開關(guān)比

當(dāng)TFT處于關(guān)態(tài)(截止?fàn)顟B(tài))時源漏極間的最小電流叫做關(guān)態(tài)電流Ioff。TFT的開關(guān)比Ion/Ioff定義為20 V時的開態(tài)電流Ion與最小關(guān)態(tài)電流之比。由圖4所示的轉(zhuǎn)移特性曲線可知，α-IGZO TFT的截止電流低于10-13A，遠(yuǎn)小于LTPS TFT的截止電流[10]，即使與α-Si:H TFT相比，α-IGZO TFT的截止電流也有1～2個數(shù)量級的降低[11]，Ion/Ioff值高達(dá)109。平板顯示要求TFT的開關(guān)比大于10-6，因此，α-IGZO TFT的開關(guān)特性非常好。

圖4 α-IGZO TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線和開關(guān)比

2.5 亞閾值擺幅

在TFT的亞閾值區(qū)漏極電流增加一個數(shù)量級對應(yīng)的柵壓為亞閾值擺幅S，即

S=dUGS/d(lgIDsub)

(7)

S的單位是mV/dec，表示ID-UGS關(guān)系曲線的上升率，是用作邏輯開關(guān)時的一個重要參數(shù)。為了提高TFT的亞閾值區(qū)工作速度，要求S值越小越好。

lgID～UGS曲線如圖4所示，在漏極電流急劇上升區(qū)間選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)點(diǎn)反復(fù)作直線擬合，最終的擬合直線示于圖中，其斜率的倒數(shù)即為S，數(shù)值為276mV/dec。對圖4所示曲線進(jìn)行擬合求導(dǎo)，再取倒數(shù)可得如圖5所示曲線，其中的最小值作為S的值，可以求得S為272 mV/dec，與線性擬合的結(jié)果相近。α-IGZO TFT的S值接近LTPS TFT的S值，優(yōu)于α-Si:H TFT的S值[12]。綜合α-IGZO TFT的電特性參數(shù)可知，場效應(yīng)遷移率和亞閾值擺幅已接近文獻(xiàn)[13-15]中的水平，閾值電壓較高，開關(guān)比已經(jīng)處于優(yōu)勢。

圖5 α-IGZO TFT的亞閾值擺幅

3 結(jié) 語

采用磁控濺射法制備了底柵反交疊刻蝕阻擋型α-IGZO TFT，得到了TFT的電流-電壓特性曲線，根據(jù)TFT的一級近似模型，給出了TFT的場效應(yīng)遷移率、閾值電壓、開關(guān)比和亞閾值擺幅的提取方法。通過仔細(xì)篩選測試條件和數(shù)據(jù)擬合范圍，得到α-IGZO TFT線性區(qū)和飽和區(qū)場效應(yīng)遷移率和閾值電壓分別為6.27 cm2/V·s和7.7 V，7.24 cm2/V·s和4.3 V，α-IGZO TFT的開關(guān)比和亞閾值擺幅分別為109和272mV/dec。TFT的特性參數(shù)提取方法簡單易行，適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)及TFT的研究。