王 冶 李東茂 王 超*

（吉林建筑大學 電氣與計算機學院，吉林 長春130022）

金屬氧化物薄膜晶體管因其優(yōu)異的光學和電學性能而備受關注，比起傳統(tǒng)的硅薄膜晶體管，它們具有更強的競爭力。大量關于金屬氧化物薄膜晶體管的研究是基于氧化鋅（ZnO）的，其中，lGZO-TFT 由于其優(yōu)越的性能成為了最常用的材料，不過其可靠性仍然值得商榷，尤其是銦（In）元素的高成本與高毒性。為了解決上述問題，需要繼續(xù)尋找新的材料。而鋁（Al）由于儲量豐富并且無毒環(huán)保走進人們的視線，實現有效鋁摻雜后，AZO-TFT 具有優(yōu)良的性能。

下面就近年來不同方法制備AZO-TFT 有源層的研究進行綜述。

1 射頻磁控濺射

射頻磁控濺射法由于其穩(wěn)定性好，薄膜重復性和均勻性好等優(yōu)點，成為制備氧化物半導體層的重要方法[1]。2013 年，Jian Cai 等[2]在玻璃襯底上成功制備高性能頂柵結構AZO-TFT，所有的工藝溫度均低于100℃，以氧化銦錫（ITO）作柵極與源漏電極，150 nm 厚的二氧化硅（SiO2）作絕緣層，室溫下濺射沉積100nm 厚的AZO 作有源層。當VG=-2～5V 時，該器件顯示出優(yōu)良的性能，其飽和遷移率達到285cm2/V.s，場效應遷移率143cm2/V.s，閾值電壓為0.9V，亞閾值擺幅0.11V/decade，開關比達到2×109并且擁有82.5%的高透過率, 其優(yōu)良的性能足以媲美IGZO-TFT 器件。

Dedong Han 等[3]于室溫下通過射頻磁控濺射在柔性聚酯塑料襯底上制備了100nm 厚度的AZO 薄膜有源層并制成器件，該器件以Al 作為柵極與源漏電極，150nm 厚的SiO2 薄膜作絕緣層，并顯示出n 溝道器件特性，閾值電壓1.3V，開關比2.7×107，場效應遷移率達到了21.3cm2/V.s，亞閾值擺幅0.23 V/decade，室溫下關斷電流小于10-12A，獲得了高性能的柔性基底薄膜晶體管。

Dongfang Shan 等[4]提出了室溫下制備全透明反轉堆疊式AZO-TFT 的方法，以150nm 厚的SiO2作絕緣層，ITO 作柵極和源漏電極, 在室溫下于玻璃襯底上濺射厚度50nm 的AZO 有源層并制成器件，遷移率為59.3cm2/V.s，開關比達到2.7×108，亞閾值擺幅0.12V/decade，并花費了六個月時間研究器件的穩(wěn)定性并證明了其穩(wěn)定性，對器件進行磁滯回線掃描發(fā)現其幾乎沒有磁滯現象。2014 年，Junchen Dong 等[5]通過在AZO 有源層中摻入稀土元素釓（Gd），制成底柵頂接觸結構的Gd-AZO 薄膜晶體管，該器件以2 英寸玻璃為襯底，130nm 厚度的ITO 作柵極，150nm 厚的SiO2作絕緣層，130nm 厚度的ITO 作源漏電極。該器件實現了優(yōu)異的負偏壓穩(wěn)定性和透過率，飽和遷移率238cm2/V.s，開關比6.08×108，閾值電壓1.92V，亞閾值擺幅0.16 V/decade，作者認為通過向AZO 摻雜稀土元素可以用于未來的顯示工業(yè)。

Dedong Han 等[6]對比了頂柵型與底柵型AZO-TFT 的電學特性，器件皆以柔性聚酯塑料作襯底，100nm 厚度的SiO2作絕緣層，100nm 厚度的ITO 作柵極與源漏電極，100nm 厚度的AZO作有源層。結果顯示，頂柵型AZO-TFT 閾值電壓為1.4V，開關比為1.0×107，場效應遷移率28.2cm2/V.s，亞閾值擺幅0.19V/decade，而底柵型AZO-TFT 閾值電壓為1.7V，開關比1.0×107，場效應遷移率209cm2/V.s，亞閾值擺幅0.16 V/decade。

兩種薄膜晶體管都表現出低閾值電壓、高離子/離子遷移率和高場效應遷移率的特性。相比之下，底柵型AZO 薄膜晶體管表現出更好的特性。2017 年，Wen Yu 等[7]提出以鋁封頂的形式對底柵型的AZO-TFT 進行增強。器件以玻璃作襯底，100nm厚的ITO 作柵極，107nm 厚的SiO2作絕緣層，75nm 厚的ITO 作源漏電極，使用陶瓷靶濺射30nm 厚的AZO 作為有源層。著重研究了鋁覆蓋層厚度和后退火條件對薄膜晶體管性能的影響。

結果表明，在背溝道上引入鋁覆蓋層可以顯著提高AZO 薄膜晶體管的性能，飽和遷移率顯著地從0.128cm2/V.s 增加到12.6cm2/V.s。這種增強歸因于鋁原子擴散到AZO 薄膜中，從而導致結晶質量改善。

作者認為該工藝可以延伸至其他氧化物薄膜晶體管。2019年，Xiaobin Zhou 等[8]采用射頻磁控濺射技術，在不同功率（70W、100W、150W 和200W)下，在玻璃襯底上制備了底柵結構的高性能AZO-TFT，器件以100nm 厚的鉬（Mo）作柵極，100nm厚的SiO2作絕緣層，使用射頻磁控濺射在室溫下制備30nm 厚的AZO 作為有源層，100nm 厚的ITO 作源漏電極。在所有的器件中，以70W 功率濺射的AZO 為有源層所制備的AZO-TFT 表現出優(yōu)異的特性，飽和特性遷移率為13.167cm2/V.s，亞閾值擺幅

為0.13mV/decade，開關比為1.63×109。此外，在70 W 功率下制備的器件還顯示出良好的輸出特性、高均勻性和優(yōu)異的偏置應力穩(wěn)定性。閾值電壓偏移在正/ 負柵極應力下分別為0.7V/0.8V。

2 原子層沉積（ALD）

近年來，ALD 工藝由于其精確的厚度控制以及該工藝在三維結構上優(yōu)異的一致性與均勻性引起人們的關注[9]。2016 年，Won-Ho Lee 等[10]提出一種可以同時實現薄膜晶體管與電阻變化存儲器（RCM）功能的器件，該器件以玻璃片作襯底，將150nm厚的ITO 層圖案化到底部柵極中。使用三甲基鋁（TMA）和水蒸氣分別作為鋁和氧源，通過ALD 在150℃下沉積100nm 厚的Al2O3層作為底部絕緣層。通過用磷酸去除給定區(qū)域來打開接觸孔。這些接觸孔具有在每個電極和相應的測試焊盤之間形成電連接的作用。

在打開金屬接觸之后，通過室溫下的直流濺射沉積厚度為150nm 的ITO 作為源漏電極。在圖案化源漏電極之后，由ALD沉積了20nm 厚的AZO 薄膜，其中二乙基鋅（DEZ）和TMA 分別用作鋅和鋁前體，并且提供水蒸氣作為反應物。襯底溫度固定在100℃。通過控制DEZ 和TMA 的循環(huán)數比為19∶1 來確定AZO 膜的組成。然后由ALD 在150℃沉積9nm 厚的Al2O3層作為保護層,并最終將Al2O3保護層厚度確定在9nm。最后，通過鋁的熱蒸發(fā)和剝離圖案化形成頂部電極和源漏電極焊盤。該器件在實現薄膜晶體管功能時，具有良好的性能，其場效應遷移率為0.07cm2/V.s，亞閾值擺幅為0.69 V/decade，閾值電壓為1.9 V。作者認為該RCM-TFT 器件有希望作用于多功能大面積電子產品中。Eom-Ji Kim 等[11]提出了一種控制閾值電壓的方法，該方法通過調整薄膜晶體管的AZO 有源溝道內的鋁摻雜層的位置來實現。

在ALD 過程中，通過在總共50 個循環(huán)中的第13、19、38 和44 個循環(huán)中插入鋁循環(huán)序列來控制鋁摻雜劑層的位置。采用ALD 于玻璃襯底上制備了AZO-TFT。AZO 的沉積溫度被設定為100℃,并且引入的Al 的量被設定為2%。DEZ、TMA 和H2O 分別被選為Zn、Al 和O2源。在150℃下沉積9nm 厚的Al2O3作為保護層，在圖案化AZO 有源層溝道區(qū)域后，150℃下沉積100nm 厚的Al2O3作為絕緣層。并且通過濕法化學蝕刻穿過Al2O3絕緣層打開接觸孔，同時柵極和源漏電極是通過濺射法沉積ITO 薄膜形成的。最終研究發(fā)現，通過調整TMA 序列的晶體管，摻入Al層的位置對薄膜晶體管的結構結晶度和溫度依賴性電導率變化沒有明顯影響。而當Al 摻雜劑層結合在不同位置時，制備的頂柵AZO-TFTs 的閾值電壓發(fā)生了顯著的變化。

2017 年，Jun-Kyo Jeong 等[12]采用原子層沉積法制備了不同鋁濃度的鋁摻雜氧化鋅薄膜，以確定鋁摻雜對雙疊層有源層薄膜晶體管的影響。在該研究中，由ALD 形成100nm 厚的AZO 薄膜，其中TMA 和DEZ 在100℃下交替注入。去離子H2O 和氮氣用作吹掃氣體。脈沖時間和吹掃時間分別為0.5 和10 秒。調節(jié)DEZ 和TMA 的循環(huán)比，以將AZO 中的鋁的量控制在4∶1 至49∶1。熱生長120nm 厚的SiO2 電介質層作為絕緣層。之后，由ALD 分別在100℃和80℃沉積AZO/ZnO 層作為有源層。AZO 層的厚度為10nm，ZnO 層的厚度為50nm。作為參考器件，ALD 還沉積了60nm 厚的ZnO 層。通過射頻磁控濺射沉積鈦（Ti）來進行源漏電極接觸，并通過剝離工藝形成圖案。通過射頻磁控濺射在硅晶片的背面沉積鋁電極進行背柵接觸。所有制造的器件在N2和O2氛圍下在250℃的管式爐中退火1 小時。研究表明，最佳鋁摻雜濃度約為2%。制備的具有AZO（2%）/ZnO 雙疊層有源層的薄膜晶體管在O2氛圍下退火后，閾值電壓0.61V，亞閾值擺幅0.42V/decade，場效應遷移率1.013cm2/V.s，開關比4.04×107。

3 溶液法

在諸多薄膜生長技術中，溶液法由于其制備工藝簡單，生產成本低，可實現大面積生產，具有廣闊的應用前景[13]。2017 年，Darragh Buckley 等[14]為了制備5 摩爾百分數（mol%）鋁的AZO膜，通過將0.1407 克九水合硝酸鋁[Al（NO3）3.9H2O]溶解在10 毫升二甲氧基乙醇中來制備鋁溶液。將該溶液加入到0.75 摩爾（mol）乙酸鋅溶液中，并在60℃攪拌2 小時。所有薄膜樣品都沉積在尺寸為2cm×2cm 的p 型硅片上。在沉積之前，通過在丙酮、異丙醇和去離子水中的超聲波處理來清潔基材，然后使用掃描紫外線臭氧系統(tǒng)進行30 分鐘的紫外線臭氧處理。使用臺式旋轉涂布機從液體前體沉積薄膜。將適當的溶液滴加到基底上，并以3000 轉每分鐘（r/min）的轉速轉30 秒，包括5 秒的斜坡時間。

隨后，樣品在露天對流烘箱中于250～270℃之間干燥5 分鐘。在樣品在300℃進行1 小時的最終退火處理之前，該沉積過程可以根據需要重復多次。這項工作最終展示了一種確定金屬氧化物的光學厚度和定向反射率的方法。Venkateshwarlu Sarangi 與Srinivas Gandla[15]使用溶液法成功制備底柵頂接觸型AZO-TFT。他們首先將六水合硝酸鋅（Zn（HNO3）2.6H2O）和乙酰丙酮（C5H8O2）溶解在2ml 乙氧基乙醇（C6H14O3）中，得到0.05mol的溶液。此外，Al（NO3）3.9H2O 和C5H8O2溶解在二甲氧基乙醇中，得到0.005 mol 溶液。將Zn（HNO3）2.6H2O 和Al（NO3）3.9H2O 溶液老化12 小時，使金屬硝酸鹽完全溶解在各自的溶劑中。燃燒前體溶液與Al（NO3）3.9H2O 溶液的摩爾百分數變化（3%、5%、7%和9%）混合。最后，在薄膜流延之前，將純ZnO 和不同摩爾濃度的AZO 溶液在熱板上在磁力攪拌加熱至60℃并持續(xù)1 小時。在硅片上制作薄膜晶體管。熱生長的SiO2用作硅襯底上的絕緣層。然后，在該SiO2層的頂部，以3000r/min 的轉速，在SiO2/Si 襯底上旋轉涂覆純ZnO 和AZO 燃燒前體30 秒。薄膜在150℃下預熱5 分鐘，蒸發(fā)掉殘留的溶劑，重復該過程，直到獲得所需的厚度。樣品在250℃退火1 小時。退火溫度保持1 小時，然后在環(huán)境中緩慢降至室溫。最后，使用熱蒸發(fā)法制備溝道長度為100微米（μm）、寬度為600μm 的Al 用于源漏接觸。最終發(fā)現溶液摩爾百分數為7%時該器件性能最優(yōu)，場效應遷移率1.2cm2/V.s，閾值電壓17V，亞閾值擺幅4.5V/decade，開關比達到106。

4 熱蒸發(fā)法

熱蒸發(fā)法具有設備易操作，成膜效率高，速率快等優(yōu)點[16]。2010 年，Hsin-Chiang You 與Shiang-Jun Zhang[17]提出在硅襯底上使用熱蒸發(fā)法制備AZO-TFT。他們用RCA 清潔劑處理p 型晶片以去除表面顆粒和金屬離子污染物。

接下來，在高溫水平爐中通過濕式氧化生長100nm 厚的SiO2作柵極。在使用反應離子蝕刻（RIE）去除背面100nm 厚的SiO2之后，接著進行標準清潔以防止表面污染。然后，通過使用顆粒和熱蒸發(fā)工藝形成10nm 厚的AZO 有源層。最后，通過熱蒸發(fā)法形成最終的底部Al 柵極，然后沉積頂部的Al 源極和漏極。不過原子力顯微鏡分析表明，AZO 薄膜表面粗糙度質量不是很好。如果將其用作有源層，可能會影響載流子運動，作者認為原因可能是熱蒸發(fā)法沉積速度過快或者真空度不夠。不過作者認為控制沉積速度或者提升真空度后，熱蒸發(fā)法制備AZO-TFT 是可行的。

5 結論

很顯然，目前射頻磁控濺射制備AZO-TFT 有源層的工藝已然十分成熟，其制備的器件性能優(yōu)良，但其也有生長速率慢，存在射頻輻射等局限性。而ALD 等其他工藝仍在發(fā)展階段，關于溶液法或者真空蒸發(fā)鍍膜法的報道依然是少數，并且其制備的器件性能明顯劣于射頻磁控濺射法制備的AZO-TFT。AZO-TFT 具有廣闊的發(fā)展前景，有理由相信，未來關于AZO-TFT 的研究將會繼續(xù)增加，而制備有源層的工藝也將更加完善與多樣。