IGZO 薄膜晶體管的制備及其光電特性的研究

劉 璐 高曉紅 孟 冰 付 鈺 孫玉軒 王 森 劉羽飛 胡頂旺

(吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春130000)

眾所周知，薄膜晶體管（TFT）在平板顯示（FPDs）領(lǐng)域充當(dāng)著重要的角色，尤其是有源矩陣液晶顯示器件（AMLCD）和有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管顯示器件（AMOLED）中[1]。TFT 作為一種重要的開(kāi)關(guān)器件，其性能的高低在很大程度上受到其半導(dǎo)體溝道層的影響。與其它溝道層材料相比，氧化物溝道層可以在較低的工藝溫度實(shí)現(xiàn)更均勻更平整的薄膜、更高的遷移率和更低的開(kāi)啟電壓。

在氧化物半導(dǎo)體材料中，以氧化鋅（ZnO）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料更是因其優(yōu)異的光電特性、低生長(zhǎng)溫度和高耐輻射性能等優(yōu)點(diǎn)成為T(mén)FT 技術(shù)關(guān)注的熱點(diǎn)，并在透明顯示技術(shù)、傳感器技術(shù)等諸多領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。此外，它們的寬帶隙也為其能夠應(yīng)用于光電探測(cè)領(lǐng)域提供了理論基礎(chǔ)。在這項(xiàng)工作中，詳細(xì)描述了器件的制作工藝，并對(duì)所制備的TFT 的電學(xué)和光電特性進(jìn)行了分析和討論。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本研究在具有100nm 熱氧化硅的p 型Si 片上制備共柵共絕緣層的底柵頂接觸TFT 器件，圖1 展示了以IGZO 為有源層的TFT 的結(jié)構(gòu)示意圖。器件溝道長(zhǎng)為10nm，寬為300nm。制備工藝為：在具有100nm 熱氧化硅的p 型Si 片上用磁控濺射的方法沉積了50nm 厚的IGZO 有源層，再對(duì)樣品進(jìn)行圖案化，再通過(guò)電子束蒸發(fā)（E-Beam）蒸鍍了50nm 金屬Al 源漏電極。使用KeysightB1500A 半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀測(cè)試TFT 器件的電學(xué)性能和在254nm、365nm 的光照下的光電響應(yīng)特性。

2 結(jié)果與討論

圖2 中（a）展示IGZO TFT 在黑暗條件下的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)，（b）展示了IGZOTFT 在黑暗條件下的輸出特性曲線(xiàn)和（c）展示了在VDS為15V 時(shí)，IGZO 在黑暗條件下的滯回特性曲線(xiàn)。閾值電壓（VTH）和飽和遷移率（μsat）是在IDS1/2和VGS 線(xiàn)性外推中提取出來(lái)的，亞閾值擺幅（SS）是在log（IDS）和VGS圖的線(xiàn)性部分中提取出來(lái)的。表1 總結(jié)了IGZOTFT 在不同VDS下主要電學(xué)參數(shù)。

圖1 TFT 器件的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2（a）IGZO TFT 黑暗狀態(tài)下的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)；（b）IGZOTFT黑暗狀態(tài)下的輸出特性曲線(xiàn)（c）；IGZOTFT 黑暗狀態(tài)下的滯回特性曲線(xiàn)

表1 IGZO TFT 電學(xué)性能參數(shù)

器件的飽和遷移率在源漏電壓為5V 和10V 時(shí)隨著源漏電壓的增加而增加，在10V 和15V 時(shí)隨著源漏電壓的增加而減少，之后又隨源漏電壓的增加而增加。其電流開(kāi)關(guān)比在5V 到15V 之間隨著源漏電壓的增加而增加，在15V 之后呈現(xiàn)了一個(gè)相反的趨勢(shì)。IGZOTFT 的閾值電壓、開(kāi)啟電壓都隨著源漏電壓的增加均呈上升趨勢(shì)。亞閾值擺幅則是穩(wěn)定在2V/decade 左右。所以，在源漏電壓為15V 時(shí)，IGZOTFT 器件的電學(xué)性能相對(duì)較好，飽和遷移率為1.65cm2/Vs，電流開(kāi)關(guān)比達(dá)到10 的8 次方，閾值電壓為29V，亞閾值擺幅大約為2V/decade，這與常規(guī)的有機(jī)或無(wú)機(jī)TFT 相比都要慢[2]。由圖2（b）輸出特性曲線(xiàn)可以看出來(lái)，在10V 的柵極偏置下，飽和電流約為1.2×10-11A；在20V 的柵極偏置下，飽和電流約為2.05×10-9A；在40V 的柵極偏置下，飽和電流約為1.35×10-4A。在相同柵極電壓VGS下，隨著VDS的增大，IDS先顯著增大，隨后趨于穩(wěn)定，這表明柵極偏壓VGS對(duì)器件的漏電流IDS有很好的調(diào)控作用，并具有較好的夾斷特性。在輸出特性 曲 線(xiàn) 中 沒(méi) 有 觀 察 到 電 流 擁 堵 現(xiàn) 象（currentcrowdingphenomena），說(shuō)明IGZO 溝道和Al 電極之間具有良好的歐姆接觸。由圖2（c）可以看出IGZOTFT 器件存在非常明顯的滯回現(xiàn)象，閾值電壓偏移△VTH為3.3V，而且電流開(kāi)關(guān)比也下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)。閾值電壓向正向漂移造成順時(shí)針滯回，溝道層體缺陷和柵介電層與溝道層間的界面陷阱電荷時(shí)造成這種現(xiàn)象的主要因素[3]。當(dāng)VGS正向掃描時(shí)，隨著柵極電壓的增加，一些載流子被溝道層體缺陷和位于柵介電層與溝道層之間界面附近的陷阱電荷捕獲；當(dāng)VGS反向掃描時(shí)，為了獲得相同的溝道載流子濃度，需要更大的VGS來(lái)克服陷阱電荷對(duì)載流子的占用，從而使得閾值電壓變大，轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)出現(xiàn)順時(shí)針滯回[4]。

圖3 顯示了IGZO TFT 在光照條件下多個(gè)光周期下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。其中（a）是器件在254nm 光照條件下VDS為15V，VGS為8V 時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，（b）是器件在365nm 光照條件下VDS為15V，VGS為8V 時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。兩次測(cè)試的光照周期為80s，開(kāi)啟時(shí)間為40s，關(guān)閉時(shí)間為40s。器件在254nm 的光照條件下，打開(kāi)燈后，IDS迅速增加了四個(gè)數(shù)量級(jí)以上，但在365nm 光照時(shí)，IDS只增加了大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。這和在轉(zhuǎn)移、輸出特性曲線(xiàn)中得到的結(jié)論相同，器件對(duì)254nm 和365nm 的光照都發(fā)生了響應(yīng)，且254nm 的光照響應(yīng)要大于365nm 的光照響應(yīng)。但在關(guān)燈后，暗態(tài)下的電流都不能立即恢復(fù)到初始值，兩種光照條件下的電流在40s 內(nèi)都下降了大約一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。這歸因于與帶隙中氧空位相關(guān)的嚴(yán)重缺陷導(dǎo)致的持續(xù)光電導(dǎo)（PPC）現(xiàn)象[5]。PPC 使半導(dǎo)體材料即使再?zèng)]有光照的條件下，仍可以保持長(zhǎng)時(shí)間的導(dǎo)電性，這使響應(yīng)時(shí)間增長(zhǎng)。但是整組數(shù)據(jù)是比較穩(wěn)定和連續(xù)的。

3 結(jié)論

圖3（a）IGZO TFT 在在源漏電壓為15V，柵極偏置為8V 時(shí)正柵極脈沖的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（樣品在254nm 光照條件下）；（b）IGZO TFT 在源漏電壓為15V，柵極偏置為8V 時(shí)正柵極脈沖的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（樣品在365nm 光照條件下）

利用濕法光刻技術(shù)和射頻磁控濺射濺射的方法在Si 襯底上制備了底柵型IGZO 薄膜晶體管，研究了其電學(xué)和光電特性。在VDS為15V 時(shí)，得到了飽和遷移率為1.65cm2/Vs，電流開(kāi)關(guān)比達(dá)到10 的8 次方，閾值電壓為29V，亞閾值擺幅大約為2V/decade的開(kāi)關(guān)器件。此外，通過(guò)在不同光照條件下的測(cè)試表明IGZOTFT 器件對(duì)254nm 和365nm 的光照都能發(fā)生響應(yīng)，而且其對(duì)254nm 的光照響應(yīng)要大于其對(duì)365nm 的光照響應(yīng)。當(dāng)柵極偏置為10V 時(shí)，漏電流在365nm 光照下提高了將近4 個(gè)數(shù)量級(jí)，而在254nm 光照下提高了將近6 個(gè)數(shù)量級(jí)，并且能夠得到穩(wěn)定、連續(xù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。因此，以IGZO 為有源層的TFT 可以應(yīng)用于光電探測(cè)領(lǐng)域。