李慧，楊小天，王艷杰，2*，王超，2，楊帆，2，聶曉淵

（1.吉林建筑大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院吉林省建筑電氣綜合節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130118；2.吉林建筑大學(xué) 寒地建筑綜合節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130118；3.吉林師范大學(xué)，吉林 四平 136099）

1 引言

由于薄膜晶體管（TFT）在有源矩陣顯示器、射頻識(shí)別標(biāo)簽、大面積傳感器和計(jì)算機(jī)［1］等電子市場(chǎng)的廣泛應(yīng)用［2］，人們對(duì)TFT進(jìn)行了大量的研究工作。與非晶硅和多晶硅薄膜晶體管相比，金屬氧化物半導(dǎo)體具有低成本、高透明、高遷移率和大面積均勻性等優(yōu)點(diǎn)，使其成為最有前途的薄膜晶體管溝道層材料之一［3］。

氧化鋅（ZnO）具有高的化學(xué)永久性、寬的直接帶隙（Eg～3.37 Ev）、低廉的價(jià)格、不具毒性、易光刻加工，且在H等離子體中穩(wěn)定的優(yōu)異性能［4］，因此以ZnO為代表的金屬氧化物半導(dǎo)體作為TFT溝道層引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。但是ZnO存在氧空位和鋅間隙等本征缺陷［5］，嚴(yán)重影響了TFT的性能。為解決這一問題，研究者通常引入摻雜元素［6］。常見的摻雜有鋁（Al）、銦（In）［7］、鎵（Ga）、錫（Sn）［8］、鉬（Mo）和 鎢（W）等，其中Al、In和Ga均屬于低價(jià)態(tài)摻雜［9］，Mo和W屬于高價(jià)態(tài)摻雜。高價(jià)態(tài)元素的摻雜可以在保證一定載流子的情況下，降低摻雜的含量，減少雜質(zhì)散射，改善載流子遷移率，其中高價(jià)態(tài)元素鎢（W）摻雜ZnO（WZO）薄膜受到了許多研究者的關(guān)注。但是關(guān)于WZO薄膜晶體管方面的報(bào)道還比較少，因此，以WZO薄膜為溝道層制備高性能的薄膜晶體管器件具有重要的研究意義。

本文通過使用射頻磁控共濺射沉積WZO溝道層材料制備TFT，改變沉積過程中W的濺射功率，探究W的濺射功率對(duì)WZO薄膜微觀結(jié)構(gòu)、表面形貌的影響，以及對(duì)WZO-TFT光學(xué)和電學(xué)性能的影響［10］，期望得到高開關(guān)比、高透過率和高遷移率的WZO-TFT。

2 實(shí) 驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)使用負(fù)膠工藝在P型Si襯底上用射頻磁控共濺射法沉積WZO薄膜，通過電子束蒸鍍制備WZO-TFT器件。

2.1 WZO薄膜的制備

將1.5 cm×1.5 cm的Si襯底依次用丙酮、酒精和去離子水各超聲清洗15 min，用氮?dú)獯蹈?，通過旋涂、光刻和顯影進(jìn)行圖案化處理。將純度 為99.99%的ZnO靶 材 和99.99%的W靶材放置于PVD75型號(hào)磁控濺射設(shè)備進(jìn)行共濺射，濺射氣體為氬氣和氧氣，其流量比為95∶5。ZnO的濺射功率150 W，沉積壓強(qiáng)為1.07 Pa，沉積時(shí)間為15 min。在室溫條件下，改變W的濺射功率，依次為1，2，3，4，5 W，分別濺射鍍膜得到相對(duì)應(yīng)的WZO薄膜樣品。

2.2 WZO-TFT的制備

將制備的WZO薄膜依次用丙酮、酒精和去離子水各超聲清洗15 min，用氮?dú)獯蹈桑M(jìn)行圖案化處理，再采用電子束蒸發(fā)技術(shù)沉積50 nm的鋁作為源、漏電極。電極生長(zhǎng)結(jié)束后，將其依次放置于丙酮、酒精和去離子水中剝離10 min。得到WZO-TFT，如圖1所示。

圖1 WZO-TFT結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic of WZO-TFT

利用D8 Discover型X射線衍射（XRD）對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行表征，JSM-7610F型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察薄膜表面形貌，UV-2600型紫外可見分光光度計(jì)分析薄膜的光學(xué)性能，B1500半導(dǎo)體參數(shù)分析儀分析器件的電學(xué)性能［11］。

3 結(jié)果討論

3.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

表1是通過Jade軟件進(jìn)行估算得到的不同濺射功率下WZO薄膜的晶粒尺寸和半峰全寬（FWHM）。從表1可以看出，濺射功率為2 W時(shí)的薄膜結(jié)晶質(zhì)量最好，晶粒尺寸最大為12.9 nm，半峰全寬為0.654°。

表1 不同濺射功率下WZO薄膜的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Microstructure parameters of WZO thin films under different sputtering power

圖2為不同濺射功率下制備的WZO薄膜的XRD圖譜，所有的WZO薄膜有明顯的（002）衍射峰，這意味著其晶體結(jié)構(gòu)為六角結(jié)構(gòu)，c軸垂直于襯底［12］。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，衍射峰基本都在34°～35°之間的位置［13］，非常接近于34.29°，此外沒有其他的衍射峰，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的ZnO晶體峰表明W取代了六方結(jié)構(gòu)中的Zn［14］。隨著濺射功率的增大，（002）峰的強(qiáng)度先增大后減小，半峰全寬先減小后增大。這是因?yàn)闉R射功率增加，濺射的粒子能量變大，沉積在襯底時(shí)會(huì)有較強(qiáng)的擴(kuò)散能力，有利于WZO薄膜晶粒的生長(zhǎng)。但是隨著濺射功率的持續(xù)增大，W靶材濺射出的粒子增多，到達(dá)襯底時(shí)還沒來得及擴(kuò)散到合適的位置就被后到達(dá)的粒子所覆蓋，破壞了已經(jīng)沉積的WZO薄膜，影響晶粒的生長(zhǎng)，導(dǎo)致薄膜結(jié)晶度變差。

圖2 不同濺射功率下WZO薄膜的XRD圖Fig.2 XRD patterns of WZO thin films under different sputtering power

3.2 表面形貌分析

圖3為不同濺射功率下制備的WZO薄膜的SEM顯微圖，放大倍數(shù)為100000倍。從圖3可以看出，當(dāng)濺射功率為1 W時(shí)，WZO薄膜晶粒致密均勻，此時(shí)濺射功率小，薄膜的生長(zhǎng)速度慢，濺射到襯底上的WZO粒子有充分的時(shí)間擴(kuò)散到合適的位置；隨著濺射功率的增大，粒子的能量增大，擴(kuò)散能力增強(qiáng)，使得WZO薄膜的晶粒尺寸增大，表面更加平整均勻；當(dāng)W的濺射功率進(jìn)一步增大時(shí)，濺射粒子的平均自由程減小，導(dǎo)致濺射粒子損失了較多的能量，濺射的粒子會(huì)破壞已經(jīng)沉積的WZO薄膜，WZO薄膜的表面缺陷增多，晶粒尺寸減小。

圖3 不同濺射功率下WZO薄膜的SEM圖。（a）1 W；（b）2 W；（c）3 W；（d）4 W；（e）5 W。Fig.3 SEM images of WZO films under different sputtering power.（a）1 W；（b）2 W；（c）3 W；（d）4 W；（e）5 W.

3.3 WZO-TFT器件分析

圖4 為不同濺射功率下制備的WZO-TFT的輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線。從圖4可以看出，隨著柵壓VG增大，源漏電流先增加后趨向于飽和，說明該器件是N溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管，并且工作在增強(qiáng)型模式下。在源漏電壓VD較高時(shí)出現(xiàn)飽和區(qū)，意味著器件具有夾斷特性；在源漏電壓較低時(shí)存在線性區(qū)，說明器件有良好的歐姆接觸。當(dāng)W的濺射功率為2 W時(shí)，電流ID是6.65 μA，器件的輸出特性最好。當(dāng)濺射功率為5 W時(shí)，電流ID是7.21 nA，器件的輸出特性最差。圖4（f）為漏電壓VD=20 V時(shí)不同濺射功率下的WZO-TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線，可以看出當(dāng)濺射功率為2 W時(shí)，開關(guān)比最大，開態(tài)電流最大為9.05×10-6A。隨著濺射功率的增大，器件的開關(guān)比減小。

圖4 不同濺射功率下WZO-TFT的輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線。（a）1 W下的輸出特性曲線；（b）2 W下的輸出特性曲線；（c）3 W下的輸出特性曲線；（d）4 W下的輸出特性曲線；（e）5 W下的輸出特性曲線；（f）轉(zhuǎn)移特性曲線。Fig.4 Output characteristic curves and transfer characteristic curves of WZO-TFT under different sputtering power.（a）Output curves at 1 W；（b）Output curves at 2 W；（c）Output curves at 3 W；（d）Output curves at 4 W；（e）Output curves at 5 W；（f）Transfer characteristic curves of WZO-TFT.

表2為WZO-TFT的電學(xué)性能參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)濺射功率增加到2 W時(shí)，器件的開關(guān)比為5.24×105，載流子遷移率從0.041 cm2/（V·s）增加到0.157 cm2/（V·s），閾值電壓降低為16.89 V。隨著濺射功率進(jìn)一步增加，器件開關(guān)比和載流子遷移率逐漸降低，在濺射功率為5 W時(shí)，載流子遷移率最小。這主要是由于濺射功率增加，薄膜厚度增大，缺陷增多，載流子運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象，導(dǎo)致載流子遷移率降低，器件的性能變差。

表2 W的不同濺射功率制備的WZO-TFT性能參數(shù)Tab.2 WZO-TFT performance parameters prepared by W under different sputtering power

3.4 光學(xué)特性分析

圖5顯示的是在波長(zhǎng)200～1400 nm范圍內(nèi)W的不同濺射功率下制備的WZO薄膜的光學(xué)透射光譜。從圖5可以看出，在200～1400 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，沉積的WZO薄膜具有高的透過率，在可見光400～600 nm范圍內(nèi)的平均透過率超過90%。隨著濺射功率的增加，薄膜的透過率降低，主要是由于濺射功率增大，薄膜的厚度也增大，影響WZO薄膜的光透過率。此外，在紅外區(qū)域［15］，WZO薄膜的平均透過率在80%左右。薄膜的透過率有所下降并出現(xiàn)波動(dòng)，主要是由于薄膜表面顆粒不均勻，界面反射效應(yīng)引起干涉效應(yīng)［16］。

圖5 不同濺射功率下的WZO薄膜的光學(xué)透射率曲線Fig.5 Optical transmittance curves of WZO films under different sputtering power

4 結(jié)論

本文采用射頻磁控濺射法在P型Si襯底上制備了W摻雜ZnO薄膜晶體管，研究W的濺射功率對(duì)WZO薄膜晶體管電學(xué)和光學(xué)性能的影響，并對(duì)WZO薄膜進(jìn)行表征。結(jié)果表明，W的濺射功率為2 W時(shí)，器件的綜合性能最佳，電流開關(guān)比達(dá)到105，閾值電壓16.89 V，載流子遷移率為0.157 cm2/（V·s），薄膜在可見光波長(zhǎng)下的平均透過率90%左右，且薄膜的結(jié)晶度較好，表面更加致密平整。