聚乙烯醇基底上氧化物薄膜晶體管的制備及其特性

蔡乾順，楊 帆，王 超，王艷杰，楊小天

（1.吉林建筑大學 寒地建筑綜合節能教育部重點實驗室，吉林 長春 130188；2.吉林建筑大學 電氣與計算機學院，吉林 長春 130188；3.吉林師范大學，吉林 四平 136099）

1 引 言

21世紀以來，國際間軍事對抗手段的多元化使信息安全重要性日益顯現，傳統的硅基器件已不能夠解決新出現的一系列矛盾，因此發展瞬態電子技術成為了新趨勢［1-2］，其中瞬態薄膜晶體管擁有廣泛的應用前景。薄膜晶體管制備中器件襯底占據薄膜晶體管制造所用材料數量中最主要的組分（>99.5%），所以器件對環境的影響、可降解性以及生物相容性在很大程度上取決于器件的襯底［3］?？山到庖r底材料的選擇有限，主要是硬質材料玻璃和柔性材料紙張。但是近年來隨著可降解襯底材料研究的深入，越來越多基于新型襯底材料被開發出來，例如多糖類的殼聚糖膜、半乳甘露聚糖膜，蛋白質類的玉米蛋白膜、絲素蛋白膜，合成聚合物的聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等［4-7］。

本研究利用聚乙烯醇（PVA）襯底制備瞬態薄膜晶體管。PVA是一種良好的瞬態材料，具有生物可降解性、無毒性、良好的化學穩定性且可溶于約75℃的熱水中。但是也有多數聚合物的通病即不耐高溫，具體表現為溫度高于75℃時PVA玻璃化，再加熱至160℃以上脫水醚化從而失去溶解性［8］。在此類襯底上的器件制備工藝主要有轉移印刷法［9］和真空掩模沉積法。轉移印刷法是將一種襯底轉移至其他襯底上，所以在沉積過程中不受襯底溫度限制，但是其操作難度大、技術要求精、制造成本高，不利于瞬態薄膜晶體管的商業化應用，因此本文采用低溫真空掩模沉積法制備器件。此外，本文將高介電常數（高k）材料氧化鉿（HfO2）運用至可降解襯底上，因為高k材料在減少其絕緣層的厚度下仍能維持其高電容避免產生遂穿電流［10-11］，但是通過低溫磁控濺射制備的薄膜呈現非晶態，產生的氧空位易形成縱向的漏電流［12］，而Al2O3具有帶隙寬、界面態較穩定的特點，且其相對介電常數（ε=9）小于HfO2介電常數（ε=20）。綜合以上因素，我們采用HfO2與Al2O3疊 層結構 來 制 備 絕緣 層［13-14］，利用原子力顯微鏡對薄膜表面形貌進行表征，利用半導體參數儀對器件進行電學性能分析。

2 實 驗

2.1 器件制備

本實驗采用美國Kurt J.Lesker磁控濺射設備沉積有源層和絕緣層薄膜材料。濺射靶材分別為高純HfO2陶瓷靶（99.99%）、高純Al2O3陶瓷靶（99.99%）、高純ZnO陶瓷靶（99.99%）和高純Al靶（99.99%）。采用臺灣亮杰科技電子束蒸鍍系統沉積金屬電極，使用高純鋁錠（99.99%）蒸鍍底柵與源漏電極。采用合肥巴斯夫生物試劑生產的PVA薄膜作為TFT的基底。用掩膜板對器件做圖形化處理，器件的溝道長度為880 μm，寬度為200 μm。

將裁剪后的PVA薄膜和載玻片放入超聲清洗儀中，載玻片用酒精、丙酮、去離子水（DI）各清洗10 min，PVA膜用酒精、丙酮各清洗15 min（PVA膜是水溶性膜但不溶于丙酮、酒精，延長超聲時間以確保洗凈），然后使用膠帶將PVA膜固定至載玻片上。用電子束蒸發（EB）設備在PVA表面上沉積150 nm厚的Al作為柵電極，沉積過程中PVA基底溫度為60℃。然后用磁控濺射法沉積HfO2（濺射功率150 W，腔室壓強1.064 Pa，純氬（Ar）氣氛，室溫下濺射，沉積速率為80 nm/h）和Al2O3（濺射功率200 W，腔室壓強1.064 Pa，V（Ar）∶V（O2）=95∶5，室溫下濺射，沉積速率為40 nm/h）作為絕緣層，分別按圖1所示5組樣品結構制備絕緣層。

圖1 5組 樣 品 絕 緣 層 結 構 圖。（a）160 nm單層HfO2；（b）160 nm HfO2/40 nm Al2O3；（c）40 nm Al2O3/160 nm HfO2；（d）40 nm Al2O3/160 nm HfO2/40 nm Al2O3；（e）40 nm Al2O3/80 nm HfO2/40 nm Al2O3。Fig.1 Structure diagram of the insulation layer of five groups of samples.（a）160 nm single-layer HfO2；（b）160 nm HfO2/40 nm Al2O3；（c）40 nm Al2O3/160 nm HfO2；（d）40 nm Al2O3/160 nm HfO2/40 nm Al2O3；（e）40 nm Al2O3/80 nm HfO2/40 nm Al2O3.

在絕緣層上用磁控濺射法濺射積淀AZO薄膜（ZnO靶射頻濺射功率100 W，Al靶直流濺射功率7.5 W，腔室壓強1.064 Pa，V（Ar）∶V（O2）=95∶5，室溫下濺射15 min，厚度為40 nm）。最后用電子束蒸發鍍上100 nm厚的Al作為源漏電極，PVA基底溫度為60℃，用掩模板法對源漏電極進行圖形化處理，TFT器件的溝道寬度為200 μm。

作為對比，采用相同參數在硅襯底（包含熱氧化制備的SiO2絕緣層，厚度285 nm）上制備了TFT器件，將硅襯底用酒精、丙酮、去離子水各超聲清洗10 min，采用磁控濺射法沉積AZO有源層薄膜，電子束蒸發沉積源漏電極，工藝條件與PVA基底上TFT有源層、源漏電極的工藝條件相同。

2.2 器件表征與測試

使用英國Oxford MFP-3D型原子力顯微鏡（AFM）表征薄膜形貌；利用Keysight B1500A半導體參數儀測試電學性能；利用美國科磊KLAtencor表面輪廓儀（臺階儀）測試薄膜厚度。

2.3 器件溶解特性測試

將器件分別置于常溫（25℃）和80℃的去離子水中，水溫由油浴磁力攪拌器控制，記錄不同時間段器件溶解情況。

3 結果與分析

3.1 表面形貌與電學性能分析

按上述方式制備器件并將樣品按器件結構分為（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）6組，如圖2所示。圖3是該6組樣品對應的轉移特性曲線，其中前5組 是 在PVA襯底上 低 溫 制 備 器 件，（f）組是在Si襯底上制備的器件，6組樣品有源層AZO制備的條件一致；圖4是（a）（b）（c）（d）（e）5組樣品轉移特性曲線對比；圖5是（a）、（b）、（c）、（d）、（e）前5組絕緣層表面的AFM和PVA襯底表面AFM圖；由圖5可知，經過測試PVA襯底的粗糙度均方根RMS約為1.927 nm，達到作為TFT基板的要求。圖3（a）的單層HfO2器件的轉移曲線圖說明了直接掩膜沉積至PVA襯底的可行性，而器件（a）存在較大的關態電流（接近10 nA）導致開關比較低（開關比450）；這是因為HfO2材料會產生Poole-Frenkel現 象［15］，使 得 單 層HfO2絕 緣層器件與傳統SiO2絕緣層器件相比其絕緣層存在較大的縱向漏電通道。但是（a）組閾值電壓（1.8 V）較雙層結構絕緣層（b）/（c）兩組（分別為7.5 V與7.2 V）和“三明治”結構絕緣層（d）/（e）兩組的閾值電壓（分別為9.0 V與10.6 V）都低得多。這是由于絕緣層厚度增加導致絕緣層的耦合能力降低，因此形成導電溝道需要更大的柵電壓，從而使閾值電壓Vth隨絕緣層厚度增加而增加［16］。同理，當絕緣層變薄時能提供更好的電容耦合能力，因此由圖4可知隨著絕緣層厚度變薄，飽和區電流Ids依此減少，至（a）組器件Ids達到最優。但是過薄且存在較大漏電通道的單層HfO2絕緣層不能承受更大的柵極電壓，導致Vgs大于15 V時器件絕緣層被擊穿。（b）、（c）兩組是HfO2、Al2O3雙層結構，由圖3（b）（c）可知，HfO2、Al2O3雙層搭建的順序不同，（c）組器件（開關比2.5×104，亞閾值擺幅1.58 V·dec-1，遷移率12.30 cm2·V-1·s-1）與（b）組器件（開關比620，亞閾值擺幅2.80 V·dec-1，遷移率12.30 cm2·V-1·s-1）電學性能差異較大。這是由于與有源層相接觸的HfO2介電常數較Al2O3介電常數大得多，因此HfO2的界面極性比Al2O3的強。當電荷分別在（b）、（c）兩組傳輸時，（b）組較（c）組受到更強的界面極性影響，電荷傳輸受到很大的束縛因而影響了載流子遷移率［17］。同理可知（f）組遷移率在整組中最優，其與實驗結果相一致（圖4）。綜合以上特點，我們將Al2O3作為修飾層分別以沉積在HfO2薄膜上下面的方式堵住HfO2薄膜中存在的縱向漏電通道，以此減少關態電流，提升器件的開關比。同時Al2O3的水氧隔絕性好且界面陷阱較少，可以彌補PVA襯底水氧隔絕能力差的弱點，能夠進一步改善亞閾值斜率。再結合圖3（d）（e）、圖4、表1的實驗中，Al2O3修飾HfO2薄膜的上下面的“三明治”結構絕緣層器件（d）組（開關比2.1×105，亞閾值擺幅1.05 V·dec-1）和（e）組（開關比2.5×106，亞閾值擺幅0.53 V·dec-1）的開關比和亞閾值擺幅較（a）、（b）、（c）三組均得到了改善，并能與（f）組的傳統Si基器件（開關比3.0×105，亞閾值擺幅1.82 V·dec-1）相當，閾值電壓甚至優于傳統Si基器件。但是PVA襯底器件遷移率普遍不高，除了源、漏電極較寬的溝道（200 μm）減少載流子被捕獲的幾率之外［18］，絕緣層表面粗糙度也是影響載流子傳輸的一個重要因素。如圖5所示，（a）、（b）、（c）、（d）、（e）五組的粗糙度均方根RMS分別為5.381 nm、5.671 nm、6.528 nm、5.580 nm和5.978 nm，在較大粗糙度的情況下，對器件施加柵壓會使載流子附著在粗糙的表面，阻礙載流子的傳輸［19］。但是Al2O3與HfO2材料較寬的帶隙抑制了空穴被絕緣層與有源層界面之間的捕獲，同時根據遠程界面粗糙散射理論模型［20］，用較高介電常數與較低介電常數的兩種高k材料沉積多絕緣層有利于減少遠程粗糙散射遷移率，因此搭建HfO2、Al2O3疊層結構減緩了表面高粗糙度對電荷傳輸的阻礙。

圖2 樣品（a）~（f）的TFT結構模型圖Fig.2 TFT structure model diagram of samptf（a）~（f）

圖3 （a）~（f）六組樣品的TFT轉移特性曲線Fig.3（a）~（f）Six sets of TFT transfer characteristic curves

圖4 五組樣品的轉移特性曲線Fig.4 Transfer characteristic curves of five samples

圖5 （a）~（e）五組不同介質結構絕緣層和PVA襯底（f）的AFM圖像Fig.5 AFM images of（a）~（e）five sets of insulating layers of different media structures and PVA substrate（f）

表1 不同介質結構TFT性能參數Tab.1 TFT performance parameters of different media structures

3.2 器件溶解實驗

為了測試器件的降解特性，將器件置入室溫下的去離子水中，圖6為不同時間內器件降解程度照片，朝水面一側受潮膨脹發生彎曲，在應力的作用下器件就已經受到了損傷。為了排除此因素的影響，用導電膠將PVA膜貼敷在載玻片再置入去離子水中，在室溫下經過30 s后PVA基底吸水膨脹發生彎曲，薄膜開始碎裂；30 min后基板上的薄膜完全裂解為碎片。如圖7所示，將器件放入80℃離子水中，8 min后PVA基板完全溶于水中。

圖6 不同階段器件溶解程度（室溫下去離子水）Fig.6 Device degradation degree at different stages（DI water at room temperature）

圖7 不同階段器件溶解程度（80℃下去離子水）Fig.7 Device degradation degree at different stages（DI water at 80℃）

4 結 論

本文中將高k材料運用在柔性的可降解襯底上成功制備出瞬態薄膜晶體管。單層絕緣層的薄膜晶體管存在諸多缺陷，其電流開關比較低（450）亞閾值擺幅偏高（0.53 V·dec-1），但是通過搭建多層絕緣層的方式能夠有效提升薄膜晶體管的電學性能。其中40 nmAl2O3/80 nmHfO2/40 nmAl2O3“三明治”結構的瞬態薄膜晶體管電學性能達到最優，開關比可達到2.5×106，亞閾值擺幅降低至0.53 V·dec-1，能夠與其對應的傳統Si基TFT相媲美。此外，PVA、Al2O3、ZnO等一系列綠色無毒材料制備出的TFT及其構成的電路在植入性醫療設備、水溶性電子［21］、生物與環境可降解［22］等方面提供了應用的可能性。