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)
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。
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。
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。
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]。
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
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.
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
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
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。