楊 倩， 杜世遠(yuǎn)， 邊 銳

(1. 福州大學(xué) 至誠(chéng)學(xué)院，福建 福州 350002;2. 福建衛(wèi)生職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350101)

1 引 言

自2003年Nomura報(bào)道透明金屬氧化物薄膜晶體管(Metal-Oxide Thin Film Transistor, MOTFT)以來(lái)，關(guān)于材料體系和制備技術(shù)得到蓬勃發(fā)展[1-3]。MOTFT具有響應(yīng)時(shí)間短、遷移率高、生長(zhǎng)溫度低、高透光性和可大面積制備等優(yōu)點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)較大的開(kāi)口率，能夠滿足新一代4K大尺寸顯示器的快速、大面積和更高清晰度顯示的需求[4-5]。值得注意的是，基于固態(tài)電解質(zhì)的MOTFT具有良好的環(huán)境穩(wěn)定性和優(yōu)異的電學(xué)性能，因而具有巨大的應(yīng)用潛力[6-7]。

傳統(tǒng)的提高固態(tài)電解質(zhì)MOTFT電學(xué)性能的方法主要包括材料設(shè)計(jì)或改變器件結(jié)構(gòu)[8-10]。例如，Beom K.等人采用雙柵器件結(jié)構(gòu)從而提高基于TaOx/n-IGZO的器件電導(dǎo)[11]；Pillaiet等人則是通過(guò)調(diào)節(jié)固態(tài)電解質(zhì)絕緣層的厚度實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體管性能的調(diào)控[12]。然而，上述方法存在制作工藝復(fù)雜、制備時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，同時(shí)，難以對(duì)晶體管實(shí)現(xiàn)精確的調(diào)控[13-14]。

利用激光對(duì)材料進(jìn)行處理為上述問(wèn)題提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案，通過(guò)利用激光對(duì)材料產(chǎn)生的局部熱效應(yīng)，以及激光優(yōu)異的加工處理速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料性能的精確控制[15-18]。本文探究了激光對(duì)固態(tài)電解質(zhì)金屬氧化物薄膜晶體管電學(xué)性能的影響，該晶體管采用高k固態(tài)電解質(zhì)Ta2O5作為柵絕緣層，透明氧化銦錫(ITO)作為有源層以及源漏電極。需要注意的是，在沉積半導(dǎo)體層和電極之前，采用飛秒激光(Femtosecond Laser, fs-laser)對(duì)Ta2O5絕緣層薄膜進(jìn)行照射處理。研究發(fā)現(xiàn)，隨著激光強(qiáng)度的提高，Ta2O5/ITO TFT的開(kāi)態(tài)電流增加，閾值電壓負(fù)向漂移。通過(guò)對(duì)Ta2O5薄膜進(jìn)行XPS測(cè)試，表明激光可以調(diào)控薄膜中氧空位的含量。同時(shí)，本文進(jìn)一步探索了激光對(duì)固態(tài)電解質(zhì)晶體管突觸性能的影響，興奮性后突觸電流(EPSC)隨著激光強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加。本文提出了一種簡(jiǎn)單、快速(<1 s)、低溫(<45 ℃)地調(diào)控晶體管性能的方式，為今后基于固態(tài)電解質(zhì)MOTFT更加廣泛的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 固態(tài)電解質(zhì)MOTFT的制備

本文制備的固態(tài)電解質(zhì)MOTFT為底柵頂接觸結(jié)構(gòu)，采用純硅片作為底柵電極。首先，用丙酮、異丙醇和去離子水對(duì)硅片依次進(jìn)行清洗，每次5 min，之后用氮?dú)鈱?duì)其吹干；隨后，在硅片上利用射頻濺射法濺射150 nm的Ta2O5絕緣體層，濺射功率100 W，氣壓為0.35 Pa。利用飛秒激光對(duì)Ta2O5薄膜進(jìn)行照射處理，激光脈沖頻率為1 MHz、脈沖寬度為283 fs、波長(zhǎng)517 nm；為了探究激光強(qiáng)度對(duì)Ta2O5薄膜的影響，本文選擇了3種不同的激光強(qiáng)度：263，309，358 mJ/cm2，對(duì)Ta2O5絕緣層薄膜照射時(shí)采用網(wǎng)格型方式掃描薄膜表面，掃描速率為500 mm/s。之后，利用擴(kuò)散濺射法制備ITO半導(dǎo)體層和源/漏電極，在濺射過(guò)程中，ITO源/漏極在純氬環(huán)境下通過(guò)射頻磁控濺射鎳掩模板沉積，掩模板放置在Ta2O5/Si襯底上方，距離襯底50 μm，濺射的ITO納米團(tuán)簇會(huì)衍射到掩膜版的陰影區(qū)，因此，在ITO源極/漏極之間會(huì)同時(shí)自組裝形成一薄ITO溝道層。器件溝道長(zhǎng)度和寬度分別為80 μm和400 μm，在擴(kuò)散濺射過(guò)程中壓力和功率分別為0.3 Pa和300 W。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本文制備的固態(tài)電解質(zhì)金屬氧化物晶體管電學(xué)特性測(cè)試使用Agilent 2902半導(dǎo)體器件參數(shù)分析儀，Ta2O5薄膜的表面形貌使用原子力顯微鏡(AFM，Bruker Multimode 8) 測(cè)量。利用XPS研究了激光照射對(duì)Ta2O5薄膜的化學(xué)成分的改變。所有電學(xué)特性均在室溫環(huán)境下測(cè)試。

3 結(jié)果與討論

圖1(a)為本文制備的底柵頂接觸Ta2O5/ITO TFT的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，絕緣層為固態(tài)電解質(zhì)Ta2O5薄膜，有源層為ITO薄膜。值得注意的是，本文在制備電極和半導(dǎo)體層的過(guò)程中，采用了擴(kuò)散濺射法，即在一個(gè)過(guò)程中同時(shí)形成半導(dǎo)體層和金屬層。在濺射100 nm ITO電極時(shí)，形成了厚度約20 nm的自組裝ITO層，該自組裝ITO薄膜顯示出半導(dǎo)體性能。利用掩模板自組裝方法同時(shí)形成電極和半導(dǎo)體層的方法具有制作工藝簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)勢(shì)。由于固態(tài)電解質(zhì)的電雙層效應(yīng)，柵極介質(zhì)層和半導(dǎo)體層界面之間具有極強(qiáng)的電雙層調(diào)制效應(yīng)，因此，基于固態(tài)電解質(zhì)的薄膜晶體管可以在低電壓下工作，高k的Ta2O5薄膜(εr=20～35)可以有效降低驅(qū)動(dòng)電壓、降低器件功耗。我們采用了擴(kuò)散濺射法制備半導(dǎo)體層和源漏電極，從而大大簡(jiǎn)化了工藝步驟，并在電極和有源層之間提供了更好的歐姆接觸。需要注意的是，在沉積半導(dǎo)體層和電極之前，本文利用飛秒激光對(duì)Ta2O5薄膜進(jìn)行照射，如圖1(b)所示，激光掃描方式為網(wǎng)格型，激光掃描速率為500 mm/s，激光波長(zhǎng)為554 nm，激光脈沖寬度為283 fs。

圖1 (a) Ta2O5/ITO TFT結(jié)構(gòu)示意圖；(b)激光照射Ta2O5薄膜示意圖。Fig.1 (a) Structure diagram of Ta2O5/ITO TFT;(b)Schematic diagram of Ta2O5 insulator layer under laser irradiation.

圖2(a)為本文制備的Ta2O5/ITO TFT雙掃轉(zhuǎn)移曲線。該曲線在Ta2O5薄膜厚度150 nm、源漏電壓VDS為5 V情況下測(cè)試，器件呈現(xiàn)出典型的n型特性曲線，記憶窗大于3 V，轉(zhuǎn)移曲線中的逆時(shí)針遲滯是由于固態(tài)電解質(zhì)絕緣層中移動(dòng)離子的運(yùn)動(dòng)引起的。同時(shí)，由于固態(tài)電解質(zhì)中電雙層的強(qiáng)靜電耦合效應(yīng)，制備的晶體管的電流開(kāi)關(guān)比大于106，導(dǎo)通電流大于10-4A。Ta2O5/ITO TFT的輸出曲線如圖2(b)所示，器件在低的源漏電壓VDS下IDS呈線性增加，說(shuō)明TFT具有良好的歐姆接觸。

圖2 (a)Ta2O5/ITO TFT器件雙掃曲線; (b)Ta2O5/ITO TFT 輸出曲線。Fig.2 (a) Dual sweep transfer curves of Ta2O5/ITO-based TFT at a constant VDS of 5.0 V; (b)Output curves of the Ta2O5/ITO-based TFT.

3.1 不同激光強(qiáng)度對(duì)固態(tài)電解質(zhì)TFT的影響

為了研究激光強(qiáng)度對(duì)Ta2O5薄膜表面的影響，本文研究了不同激光強(qiáng)度下的MOTFT特性。圖3展示了在激光掃描速率為500 mm/s時(shí)，不同激光強(qiáng)度下器件的IDS-VGS特性曲線。從圖中可以看到，在激光強(qiáng)度為263 mJ/cm2和358 mJ/cm2時(shí)，開(kāi)態(tài)電流有著明顯的差異。晶體管在柵壓VGS=5 V、激光強(qiáng)度358 mJ/cm2時(shí)的開(kāi)態(tài)電流(20.3 μA)是激光強(qiáng)度263 mJ/cm2時(shí)的開(kāi)態(tài)電流(3.01 μA)的近7倍，且關(guān)態(tài)電流也明顯增大。這表明在較高的激光強(qiáng)度下有更多的可移動(dòng)的離子，從而導(dǎo)致在半導(dǎo)體層中產(chǎn)生較高的電子密度。同時(shí)，大量移動(dòng)離子的積累導(dǎo)致閾值電壓的負(fù)向漂移。我們采用了原子力顯微鏡(AFM)的tapping模式來(lái)表征Ta2O5薄膜的表面形貌，Ta2O5薄膜在無(wú)激光照射和激光強(qiáng)度為309 mJ/cm2時(shí)的表面粗糙度均方根分別為0.854 nm和0.680 nm，如圖4(a)、(b)所示，由此可以得出激光照射對(duì)Ta2O5薄膜表面粗糙度沒(méi)有顯著影響。圖5 為本文制備的Ta2O5絕緣層的C-V雙掃曲線，從該曲線中可以得到，在AC 1 MHz的頻率下150 nm厚度的Ta2O5薄膜介電常數(shù)(κ)為21。

圖3 不同激光強(qiáng)度下Ta2O5/ITO TFT的轉(zhuǎn)移曲線Fig.3 Tansfer curves of Ta2O5/ITO TFT under different laser intensities

圖4 (a)無(wú)激光照射和(b)激光強(qiáng)度為309 mJ/cm2時(shí)Ta2O5薄膜的表面形貌Fig.4 Surface RMS roughness of Ta2O5thin film. (a)With no laser irradiation; (b)With laser intensity of 309 mJ/cm2.

圖5 雙掃C-V曲線Fig.5 Dual sweep C-V characteristics of the device

3.2 不同激光強(qiáng)度下Ta2O5薄膜的XPS分析

圖6 (a～d)不同激光強(qiáng)度下Ta2O5薄膜的O1s峰Fig.6 (a～d)O1s peaks of Ta2O5thin film under different laser intensities

表1 Ta2O5薄膜在不同激光強(qiáng)度時(shí)Ta—O、VO2+、CO峰面積百分比

圖7所示為本文制備的Ta2O5/ITO TFT的工作機(jī)理。當(dāng)施加正柵壓時(shí)，如圖7(a)所示，帶負(fù)電的氧離子被吸引到Si/Ta2O5界面，帶正電的離子氧空位被排斥到Ta2O5/ITO界面上，因而導(dǎo)致在絕緣層/半導(dǎo)體層界面氧空位的積累。在圖7(b)中，激光照射會(huì)導(dǎo)致絕緣層/半導(dǎo)體層界面上更多的氧空位積累，導(dǎo)致更多的載流子(電子)積聚在ITO半導(dǎo)體層，并從源極漂移至漏極。有趣的是，絕緣層/半導(dǎo)體層界面上大量氧空位的積累將在固體電解質(zhì)中形成自上而下的內(nèi)建電場(chǎng)，從而削弱柵極電場(chǎng)的作用。當(dāng)施加負(fù)柵壓時(shí)，如圖7(c)所示，由于電離氧空位和負(fù)氧離子的復(fù)合，內(nèi)建電場(chǎng)消失，晶體管處于OFF態(tài)。

圖7 Ta2O5/ITO TFT的工作機(jī)理。(a)底電極施加正柵壓；(b)激光照射在有源層/絕緣層界面引入更多的氧空位；(c)底電極施加負(fù)柵壓。Fig.7 Working mechanism of Ta2O5/ITO TFT.(a)Positive gate voltage is applied to the bottom electrode; (b) Laser irradiation induces more oxygen vacancies accumulated at the semiconductor/insulator interface; (c) Negative gate voltage is applied to the bottom electrode.

3.3 激光對(duì)固態(tài)電解質(zhì)MOTFT突觸性能的影響

基于本文制備的固態(tài)電解質(zhì)Ta2O5/ITO TFT的特性，利用固態(tài)電解質(zhì)絕緣層的遲滯效應(yīng)以及激光對(duì)Ta2O5薄膜中氧空位含量的調(diào)控效果，進(jìn)一步探索了不同激光強(qiáng)度對(duì)Ta2O5/ITO TFT突觸行為的影響。圖8(a)展示了基于Ta2O5/ITO的突觸晶體管的典型興奮性后突觸電流(Excitatory Post Synaptic Current，EPSC)，突觸后電流是通過(guò)突觸前脈沖(即柵電壓脈沖VG)觸發(fā)的，脈沖電壓VG為3 V，脈沖寬度為150 ms。突觸前脈沖結(jié)束時(shí)，EPSC信號(hào)高達(dá)9.5 μA，然后衰減到2.4 μA。這是由于正離子氧空位在Ta2O5/ITO界面上積累，從而調(diào)節(jié)了溝道電導(dǎo)，導(dǎo)致EPSC的增加；而EPSC的緩慢衰減則是由于突觸前脈沖結(jié)束后帶正電的氧空位離子和帶負(fù)電的氧離子緩慢復(fù)合過(guò)程導(dǎo)致的。

圖8(b)所示為在突觸前脈沖VG為3 V，脈沖寬度為150 ms時(shí)，Ta2O5/ITO晶體管在3種不同激光強(qiáng)度下后突觸電流EPSC的變化。在脈沖寬度一定時(shí)，EPSC值隨激光強(qiáng)度的增加而逐漸增大，表明激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的離子數(shù)量增加。同時(shí)，當(dāng)激光強(qiáng)度從263 mJ/cm2增加到309 mJ/cm2時(shí)，EPSC值發(fā)生了顯著變化，而當(dāng)激光強(qiáng)度超過(guò)309 mJ/cm2時(shí)，EPSC值變化減慢。這種行為和電解質(zhì)中自上而下的內(nèi)建電場(chǎng)的建立有關(guān)，這種電場(chǎng)是由絕緣層/半導(dǎo)體層上的氧空位累積引起的，從而削弱了柵極電場(chǎng)的影響。

圖8 (a) Ta2O5/ITO TFT的EPSC響應(yīng)(VG=3 V，脈寬150 ms); (b) 不同激光強(qiáng)度下Ta2O5/ITO TFT的EPSC響應(yīng)VG=3 V，脈寬150 ms)。Fig.8 (a) EPSC response of Ta2O5/ITO TFT(VG=3 V, pulse width=150 ms);(b)EPSC response of Ta2O5/ITO TFT under different laser intensities(VG=3 V, pulse width=150 ms).

4 結(jié) 論

本文探究了激光對(duì)Ta2O5/ITO TFT電學(xué)性能的影響，在沉積半導(dǎo)體層和電極之前，采用飛秒激光對(duì)Ta2O5絕緣層薄膜進(jìn)行照射處理。研究發(fā)現(xiàn)，隨著激光強(qiáng)度的提高，Ta2O5/ITO TFT的開(kāi)態(tài)電流增加，閾值電壓負(fù)向漂移，并且，晶體管的興奮性后突觸電流(EPSC)隨著激光強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加。XPS測(cè)試表明，激光照射可以調(diào)控Ta2O5薄膜中氧空位的含量，進(jìn)而調(diào)節(jié)了載流子濃度。本文提出了一種簡(jiǎn)單、快速、低溫的方式調(diào)控晶體管性能，為今后基于固態(tài)電解質(zhì)金屬氧化物薄膜晶體管的更加廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。