硅摻雜氧化錫柔性薄膜晶體管的制備與特性

張建東，劉賢哲，張嘯塵，李曉慶，王　磊，姚日暉，寧洪龍，彭俊彪

(華南理工大學材料科學與工程學院，高分子光電材料與器件研究所，發光材料與器件國家重點實驗室，廣東廣州　510640)

1　引　言

柔性電子和顯示器由于其可彎曲、重量輕和便攜性高等各種優點，能夠極大豐富顯示設備的功能和使用，成為當今顯示領域研究的熱點［1-2］。作為柔性薄膜晶體管(TFT)常用的有源層材料，非晶硅(a-Si∶H)和有機半導體材料［3-4］過低的遷移率限制了其在大面積、高分辨率顯示器上的應用。研究發現［5-8］基于氧化物半導體的TFT具有遷移率高、均勻性好、可見光透明度高、與現有TFT制造技術兼容成本低和制備溫度低等優點，可滿足人們對大尺寸、高分辨和柔性顯示等技術需求，成為柔性電子和顯示器有源層材料選擇的方向。在器件結構方面，與刻蝕阻擋型結構器件相比，背溝道刻蝕型(BCE)［8］結構器件對溝道尺寸定義精度高，易于實現器件“小型化”，達到高分辨顯示，但其缺點在于器件缺少溝道保護層。目前作為金屬氧化物TFT最常使用的有源層材料之一，銦鎵鋅氧化物(Indium gallium zinc oxide，IGZO)TFT雖然在遷移率、光透過率、閾值電壓和源漏電流開關比等方面具有獨特優勢［9-13］，比如超過10 cm2·V－1·s－1的載流子遷移率、超過109電流開關比，但IGZO易于被腐蝕，造成器件背溝道損傷，獲得高性能器件成本大大提高。開發一種抗酸性的氧化物半導體材料不但能夠適用于制備背溝道刻蝕型器件，獲得更高的溝道尺寸定義精度，更能免去器件溝道保護層的制備，大大降低了TFT的制備成本。因此，開發出一種抗酸性強的氧化物半導體材料十分必要。氧化錫由于具有較強的化學穩定性和抗酸堿能力的特點，十分適合作為TFT器件的有源層材料使用。由于初始沉積態SnO2薄膜具有較高的載流子濃度，很難直接制備出高性能器件，要實現SnO2薄膜的應用，關鍵在于對SnO2薄膜進行元素摻雜調控載流子濃度［14］。根據 Zhang等［15］基于摻雜劑得到的經驗方程，因為 Si—O結合鍵能是799.6 kJ/mol高于Sn—O結合鍵能(531.8 kJ/mol)，使得薄膜中的氧不容易流失，從而降低薄膜中的載流子濃度，本文選擇硅摻雜調控氧化錫薄膜中的載流子濃度。當金屬與半導體材料接觸時，若金屬與半導體之間的功函數差相對很小，接觸面勢壘很窄，容易形成歐姆接觸。金屬Mo的功函數為4.6 eV，實驗測得STO薄膜在高溫退火后的功函數為4.856 eV，這使得STO薄膜與金屬Mo容易形成良好的歐姆接觸，本實驗采用Mo作為器件源、漏電極材料。目前已有研究者開展了STO-TFT的相關研究［16］，并取得了良好的器件性能，但相關研究都是制備在玻璃或者硅片等剛性襯底，本文將結合當今柔性顯示的熱點，研究柔性STO-TFT相關制備過程及其電學性能。同時，聚酰亞胺(PI)是一種綜合性能最佳的有機高分子材料之一，具有易于彎曲和能夠承受較高的溫度等優點，適合作為本文柔性TFT的基板使用。

本文以柔性PI作為襯底，通過射頻磁控濺射以STO作為半導體有源層，制備了一種柔性TFT器件。將器件分別置于空氣環境以室溫、200，250，300，350 ℃退火 30 min，分析退火溫度對器件電學性能的影響，同時研究該柔性STO-TFT在彎曲狀態下的工作性能。

2　柔性STO-TFT的制備和測試

本文制備的STO-TFT為背溝道刻蝕底柵型結構，基本結構如圖1所示。基底材質為于廣州新視界光電科技有限公司購置的柔性 PI(含SiNx/SiOx緩沖層);柵極采用鋁釹合金(Al∶Nd)通過直流磁控濺射并圖形化生成;在柵極上通過陽極氧化制備一層200 nm厚氧化鋁作為絕緣層;采用掩膜法控制器件的有源層尺寸(溝道寬度W=1 000μm、長度 L=300μm)，通過在室溫射頻磁控濺射沉積了一層5 nm厚的硅摻雜氧化錫(STO)薄膜作為半導體有源層，其中靶材組成的質量比為 SiO2∶SnO2=5∶95，濺射功率為 80W，工作氣壓為 0.27 Pa，濺射氣體為 Ar∶O2=100∶10 的混合氣體。最后再通過掩膜板在有源層上沉積源、漏電極Mo。將制得的器件分別置于空氣環境以室溫、200，250，300，350 ℃退火30min，分別測試其輸出特性和轉移特性，并將獲得最佳電學性能退火溫度的柔性STO-TFT進行彎曲電學性能測試。柔性STO-TFT器件輸出特性和轉移特性采用探針臺和半導體參數儀(Agilent4155C)測試。

圖1　柔性STO-TFT結構

3　結果與討論

3.1　不同退火溫度柔性STO-TFT的電學特性

在柔性STO-TFT的制備過程中，退火時發現，上述350℃退火的TFT器件PI襯底發生明顯受熱形變，部分柵極出現金屬脫落現象。通過在偏光顯微鏡下觀察，如圖2所示，350℃退火的柔性STO-TFT部分位置呈氣泡狀隆起，并且源、漏電極和柵極部分出現密集小孔。該柔性STO-TFT器件無法承受較高溫度的退火，無法表現出器件特性。200，250，300℃退火和不進行退火處理的柔性STO-TFT器件能夠保持完整的外貌形態，其中圖3所示為300℃退火的柔性STO-TFT。

圖2　350℃退火的柔性STO-TFT。(a)350℃退火后柵極;(b)350℃退火源/漏電極。

圖3　300℃退火的柔性STO-TFT.(a)TFT實物圖;(b)偏光顯微鏡拍攝溝道圖。

圖4　不同退火溫度柔性STO-TFT輸出特性曲線。(a)室溫不退火;(b)200℃退火;(c)250℃退火;(d)300℃退火。

通過實驗測試，柔性STO-TFT的輸出特性曲線如圖4所示。源漏電壓VD從0 V增加到30 V ，柵極電壓VG從0 V增加到30 V，間隔為10 V。由圖4(a)可以得到，制備的柔性STO-TFT不進行退火無法獲得良好的器件性能。退火能夠細化晶粒，使組織重新結晶消除原有的缺陷，以達到更好的器件性能。當退火溫度為200，250，300℃時，分別如圖4(b)、(c)和(d)所示，隨柵極電壓VG增大，漏電流ID明顯增大;當柵極電壓一定時，漏電流ID隨源漏電壓VD增大先快速增大后基本維持不變。這表明一定溫度退火后的柔性STO-TFT具有良好的TFT器件特性:漏電流ID受柵極偏壓VD的控制，并且器件具有很好的夾斷特性，當器件工作在飽和區時電流能夠維持一固定數值。在不超過STO-TFT可承受溫度條件下，隨著退火溫度的升高，器件的飽和輸出電流逐漸增大。在柵極電壓為30 V的條件下，300℃退火的柔性STOTFT飽和輸出電流超過1.0×10－4A，大于器件于250℃退火獲得的7.6×10－5A和200℃退火獲得的3.8×10－5A飽和輸出電流。

3種不同退火溫度的柔性STO-TFT的轉移特性曲線如圖5所示。由圖5可得，器件在負柵壓小于開啟電壓前，ID數值很小，約為10－11A數量級，器件處于關閉狀態。當柵極偏壓達到開啟電壓后，ID數值大小呈指數上升，器件迅速從關閉狀態轉換成開啟狀態。根據圖5并結合飽和區電流、電壓相關公式及亞閾值擺幅公式:

公式中單位面積的柵電容 COX=38×10－9F·cm－2，通過讀取數值和計算可得如表1中所示電學性能參數。柔性STO-TFT器件在柵極偏壓為30 V 的條件下，由(IDS)1/2-VGS曲線外推直線［17］可以得到在200，250，300℃退火的器件閾值電壓分別為 7.05，4.42，2.42 V，閾值電壓隨退火溫度升高逐漸減小，可能是由于高溫退火使得金屬氧化物有源層薄膜解吸附背溝道上吸附的氧從而提高了載流子的濃度［18］，導致閾值電壓減小，有利于器件的開啟。載流子遷移率隨3種退火溫度升高逐漸增大，分別為 1.42，2.32，2.81 cm2·V－1·s－1。同時亞閾值擺幅隨退火溫度升高而升高，300℃退火柔性STO-TFT的亞閾值擺幅為1.95 V·dec－1。主要原因可能是在器件退火過程中，由于氧等對絕緣層的作用增加，破壞了有源層和絕緣層的界面特性，使有源層與絕緣層間界面缺陷態增加從而導致亞閾值擺幅上升［19］。3種退火溫度的柔性STO-TFT開關比均在5×106附近，獲得了良好的器件性能。

圖5　不同退火溫度柔性STO-TFT轉移特性曲線及IDS1/2-VGS曲線。(a)200℃;(b)250℃;(c)300℃。

表1　不同退火溫度柔性STO-TFT性能參數Tab.1　Performance parameters of different annealing temperature flexible STO-TFT

分析表明柔性STO-TFT在300℃退火可以獲得最優的器件性能，閾值電壓Vth為2.42 V，器件載流子遷移率為 2.81 cm2·V－1·s－1，飽和開態電流超過 1 ×10－4A，開關比達5.07 ×106，亞閾值擺幅為 1.95 V·dec－1。

3.2　彎曲狀態下柔性STO-TFT的電學性能

將制備的300℃退火柔性STO-TFT分別置于曲率半徑為5，10，20，30 mm的條件下工作并測試其電學性能，其中該柔性STO-TFT在曲率為10 mm彎曲狀態下測試的實物圖如圖6所示，所測轉移特性曲線如圖7所示。由實驗結果可知，該柔性STO-TFT彎曲在曲率半徑為5，10，20，30 mm的條件下進行電學性能測試，其轉移特性曲線與未彎曲的相比變化差別不大。通過計算相關電學參數如表2所示，可得在不同曲率半徑彎曲下工作器件載流子遷移率維持在2.6～2.9 cm2·V－1·s－1之間，亞閾值擺幅也在 1.6 ～ 2.0 V·dec－1之間浮動，開態電流大小變化不大并都能夠超過10－4A數量級，該柔性STO-TFT器件彎曲后，關態漏電流和閾值電壓與未彎曲相比有明顯增加。根據漏態電流Ioff的公式［20］:

其中σ為電導率，t為溝道層厚度，W和L分別為有源層寬度和長度。在器件彎曲時有源層厚度t及寬度W基本不變的情況下，有源層在彎曲時外側被拉長，內測收縮有源層溝道距離縮短，推測器件載流子在一定程度上更傾向于沿短距離處傳輸并且電導率發生了相應的變化，Ioff相應增大;器件在彎曲半徑大于20 mm時測量其閾值電壓和未彎曲時差別不大，但當器件彎曲半徑為10 mm時器件閾值電壓突然升高較大幅度，推測其原因，可能是由于器件在彎曲時受拉應力的作用，當其達到某個值時將會一定程度上破壞器件結構，進而增加了薄膜內部的缺陷態使閾值電壓升高。雖然器件Ioff在彎曲時增加，但器件開關比仍能夠維持在高于106數量級，可以獲得較好的柔性器件性能。

圖6　在曲率半徑為10 mm彎曲下測試的柔性STO-TFT

圖7　在不同曲率半徑下工作的柔性STO-TFT性能參數。(a)轉移特性曲線;(b)(IDS)1/2-VGS。

表2　柔性STO-TFT性能參數隨彎曲程度變化Tab.2　Performance parameters of flexible STO-TFT vary with the degree of bending

4　結　論

本文通過在柔性PI襯底上制備的一種STOTFT 器件，并比較器件在 200，250，300，350 ℃退火及室溫不退火處理的性能，發現其可以調控摻硅氧化錫半導體的載流子輸運。研究表明該器件350℃下性能有所下降，300℃退火能夠獲得最佳器件性能，其基本電學性能參數如下:閾值電壓Vth為 2.42 V、器件載流子遷移率為 2.81 cm2·V－1·s－1、飽和開態電流超過 1.0 ×10－4A、開關比達 5.07 × 106，亞閾值擺幅為 1.95 V·dec－1。同時該柔性STO-TFT在曲率半徑分別為5，10，20，30 mm的情況下工作，其電學特性雖有一定的變化，但仍然保持較高的器件性能，顯示出在柔性電子器件中的巨大應用潛力。

傳統花卉的擺花應用是園林造景中的一個重要部分，文人喜歡借植物寄托個人的思想情懷和品格追求。雖然今天古典園林的主人已經不再是文人士大夫階層，但藉由他們形成的花卉審美卻與園林審美息息相關，園林廳堂傳統花卉的應用也從花文化角度傳達著園林的人文精神。