有源層厚度對柔性AZO-TFT電學性能的影響

李 超 王 超 楊 帆 王艷杰

（吉林建筑大學 電氣與計算機學院 長春 130118）

引言

近年來，柔性電子和顯示器因其外型薄、重量輕、柔韌性好、運輸方便等優點而受到越來越多的關注[1]。柔性薄膜晶體管（TFT）作為實現柔性電子產品的關鍵器件，適用于各種應用，包括大面積柔性顯示器、電子紙、有源矩陣有機發光二極管[2,3]（AMOLEDs）。

非晶硅[4]（a-Si：H）和有機半導體材料[5]作為柔性薄膜晶體管常用的有源層材料因其過低的遷移率限制了其在大面積柔性顯示器上的應用。研究發現[6-7]，氧化鋅基氧化物半導體的薄膜晶體管具有遷移率高、制備溫度低、與現有TFT制造技術相對兼容等優點。特別是，銦鎵鋅氧化物[8-10]（Indium gallium zinc oxide，IGZO）TFT因其在低制備溫度下的高遷移率而備受關注。然而，銦是地球上的稀有元素，這使得它價格昂貴且不適合大規模生產。本次研究選擇了摻鋁氧化鋅作為薄膜晶體管的有源層。眾所周知，鋁在地球上含量豐富，對人體無害，大規模工業生產成本低，因此摻鋁氧化鋅（Al-doped zinc oxide，AZO）是目前最具前景的新型無銦氧化物半導體材料。

由于鋁比鋅具有更高的價和更小的離子尺寸，鋁可以取代鋅的位置，提供額外電子，從而提高氧化鋅薄膜的電導率，致使摻鋁氧化鋅薄膜常作為透明導電薄膜材料。近年來，隨著研究的進一步深入，發現AZO也是一種很好的半導體材料[11-13]。Jang等人[14]將鋁的濃度降低到2 wt%，使AZO薄膜作為薄膜晶體管的有源層，制備出了開關電流比為104，場效應遷移率為0.17 cm2/V·s的AZO-TFT。目前已有很多AZO-TFT的研究[15-17]，并取得了良好的光學和電學性能，但相關研究都是在剛性襯底上制備的。

本文結合當今柔性顯示的熱點，采用射頻磁控濺射法在柔性聚酰亞胺（PI）襯底上制備了不同厚度的AZO薄膜，對不同厚度薄膜的生長情況、微觀結構進行了測試分析，同時制備了與之對應有源層厚度的柔性AZOTFT，并研究了有源層厚度對柔性AZO-TFT電學性能的影響。

1 實驗

本文制備的柔性AZO-TFT為底柵頂接觸結構,其基本結構如圖1所示。首先將柔性襯底材料固定到清洗干凈的載玻片上，其中柔性襯底材料為聚酰亞胺（PI）；通過臺灣亮杰科技有限公司的EB-420電子束蒸發設備在PI襯底上蒸鍍一層100 nm厚的鋁作為薄膜晶體管的柵極；在柵極上通過磁控濺射法濺射一層300 nm厚二氧化鉿作為薄膜晶體管的絕緣層；再采用磁控濺射法制備薄膜晶體管的有源層，通過調控濺射時間改變薄膜晶體管有源層厚度，共分為5 min、10 min、15 min、20 min 4個實驗組，其中靶材為ZnO陶瓷靶（純度99.99 %）和Al靶材（純度99.99 %），濺射功率為ZnO靶材100 W、Al靶材15 W，濺射氣體為Ar：O2= 95 : 5的混合氣體，工作氣壓為8 mTorr；在黃光光刻間對樣品進行溝道刻蝕后，通過電子束蒸發設備蒸鍍一層50 nm厚的Al作為源漏電極，最后制備成柔性AZO-TFT器件。

AZO薄膜結構特性和生長情況分別采用X射線衍射儀（XRD)、掃描電子顯微鏡（SEM）進行了表征，同時利用半導體參數儀對柔性AZO-TFT的電學性能進行了測試，并分析了有源層厚度對柔性AZO-TFT電學性能的影響。

2 結果與討論

制備了厚度分別為53 nm，62 nm，79 nm，94nm的四組AZO薄膜樣品，利用X射線衍射儀（XRD）對四組樣品進行了測試，結果所示如圖2。當薄膜厚度較薄時，未觀測到明顯的衍生峰，隨著AZO薄膜厚度的增加，在2θ=34.6 °處（002）面出現明顯特征峰。此峰值十分接近標準的ZnO晶體（34.45 °），出現這種情況很可能是由于鋁取代了晶格中鋅的位置所致。

薄膜的厚度對柔性襯底上制備的TFT電學性能有較大影響，圖3分別為濺射時長5 min、10 min、15 min、20 min下生長的AZO薄膜剖面，樣品（a），（b），（c），（d），的厚度分別為53 nm、62 nm、79 nm、94 nm，隨著濺射時間的增加AZO薄膜的厚度也逐漸變厚。

圖4為不同厚度AZO薄膜的表面形貌圖像。圖4 （a）～（d）分別對應薄膜厚度為53 ～ 94 nm的AZO薄膜樣品，四組SEM圖像放大倍數均為5萬倍。由SEM圖像可知，當AZO薄膜厚度為53 nm時，薄膜表面形貌較差，顆粒狀明顯，當厚度增加到62 nm時，薄膜表面平整度得到改善，但存在缺陷和裂痕，隨著厚度增加到94 nm，薄膜的致密性和均勻性得到明顯提高，表面顆粒逐漸明顯，薄膜成膜均勻致密，沒有明顯的缺陷和裂痕。

圖5為不同厚度的AZO薄膜作為有源層時對應薄膜晶體管器件的轉移特性曲線，其中，柵極電壓的掃描范圍為（-15 ～ 20）V，漏極電壓固定在8 V。由轉移特性曲線圖可知，有源層厚度對柔性AZO-TFT器件的開關特性有一定的影響，其中有源層厚度為79 nm的AZO-TFT器件的電流開關比（Ion/off）最大，有源層厚度為53 nm的AZO-TFT器件的開關電流比最小，所有器件的關態電流（Ioff）保持在1×10-8～1×10-10之間，開關電流比都大于1×104。

薄膜晶體管的電學特性參數主要包括以下4個：閾值電壓、遷移率、亞閾值擺幅、開關電流比。當薄膜晶體管處于飽和狀態時，其電流和電壓通常滿足以下關系：

式中:

IDS—漏極電流；

μ—遷移率；

W—溝道寬度；

L—溝道長度；

Ci表示絕緣層單位面積的電容；

VGS—柵極電壓；

VTH—閾值電壓。

由公式（1）可以得到：

TFT的閾值電壓VTH是指當有源層的費米能級恰好進入帶尾態時所對應的柵極電壓，其數值上為IDS1/2-VGS曲線線性區的切線與X軸的交點即為VTH。

遷移率μ決定了電子在電場作用下的平均漂移速度，是衡量器件性能的重要參數之一。通過如下公式計算得出：

式中:

K—IDS1/2-VGS曲線線性區切線的斜率。

亞閾值擺幅SS是衡量TFT器件由關態到開態轉換區域的具體特點，具體定義為IDS增加一個數量級所需要的最小ΔVGS，數值上為Log（IDS)-VGS曲線最大斜率的倒數：

式中：

SS—亞閾值擺幅。

它可以反映TFT從開啟到關斷的轉換速度，亞閾值擺幅越大則亞閾值區域的曲線越平緩，TFT在關斷和開啟之間轉換速度慢，因此我們通常希望亞閾值擺幅越小越好。

開關電流比Ion/off是器件處于“開態”和“關態”的電流輸出之比，它反映了器件的導通和閉合的能力。

由表1可知，μFE隨著AZO薄膜濺射時間的增長，先增大后減小，當濺射時間為15 min即厚度增加到79 nm時，μFE最大，約為2.21 cm2·（V·s）-1。同時開關電流比Ion/off也隨著厚度的增加出現μFE同樣的變化趨勢，隨著AZO薄膜厚度的增大亞閾值擺幅先變小后變大。

表1 不同有源層厚度的AZO TFTs電學性能參數

當AZO有源層厚度為53 nm時，μFE和Ion/off最小，出現這種情況是因為有源層厚度太薄，氧空位數目較少，載流子濃度低[18]。同時當有源層較薄時，薄膜表面均勻性較差，界面缺陷較多，致使μFE和Ion/off較低。

當有源層厚度增加至79 nm時，薄膜表面得到一定的修飾，AZO薄膜成膜質量得到改善，晶粒輪廓逐漸清晰，晶界減小，薄膜表面變得光滑致密，TFT中缺陷對載流子的俘獲作用對器件的性能影響減弱，器件中的有效載流子數目增多，因此TFT的Ion/off增大，SS減小，μFE增大。

當有源層厚度大于79 nm時，AZO-TFT的μFE和Ion/off下降，SS增大。這是因為，有源層厚度增加，載流子從源極注入后在源極、漏極附近需要穿過更厚的高電阻區[19]；同時載流子數目較多，在輸運過程中相互碰撞，發生散射。

3 結論

通過磁控濺射法調控薄膜的濺射時間，分別制備了厚度為53 nm，62 nm，79 nm，94 nm的AZO薄膜及相應的柔性AZO-TFT，研究了厚度對AZO薄膜結構的影響，并測試分析了其對應薄膜厚度的薄膜晶體管的電學性能。結果表明:當薄膜厚度較薄時，薄膜表面均勻性和器件電學性能較差。隨著有源層厚度的增加，薄膜表面得到修飾，器件電學性能得到提升。但當有源層厚度較厚時，源、漏電極附近的高阻區的導電路徑增加，影響載流子的傳輸，同時在載流子輸運過程中也會增加碰撞的幾率，形成散射，導致柔性AZO-TFT器件電學性能下降。因此，同剛性襯底上制備的薄膜晶體管一樣，柔性襯底上制備的薄膜晶體管有源層厚度不應太薄或太厚，合理選擇和確定有源層厚度有利于器件獲得更好的電學特性。在電學性能方面柔性襯底上制備的薄膜晶體管也能達到高性能，并且制備過程簡單，成本低廉，揭示了未來柔性顯示的潛力。