氧化鋅薄膜晶體管電性能的溫度特性

王 聰，劉玉榮( 1. 汕尾職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，廣東 汕尾 516600; 2. 華南理工大學(xué) a. 電子與信息學(xué)院; b. 國家移動超聲探測工程技術(shù)研究中心，廣州 510640 )

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氧化鋅薄膜晶體管電性能的溫度特性

王 聰1,2a，劉玉榮2a,2b
( 1. 汕尾職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，廣東 汕尾 516600; 2. 華南理工大學(xué) a. 電子與信息學(xué)院; b. 國家移動超聲探測工程技術(shù)研究中心，廣州 510640 )

摘要：采用射頻磁控濺射法成功制備了ZnO薄膜晶體管(ZnO-TFT)，研究了ZnO-TFT電學(xué)性能的溫度依賴性及其影響機理。從室溫27 ℃到210 ℃的變化范圍，隨著器件溫度的升高，ZnO-TFT的開關(guān)電流比和閾值電壓都有明顯的減小，亞閾值擺幅明顯升高，有效場效應(yīng)遷移率先增加再逐漸減小。電性能的變化主要來源于因溫度升高引起的溝道有源層載流子濃度增加，點缺陷的形成，界面散射增強等多種因素復(fù)合作用所致。另外，當(dāng)器件溫度逐漸冷卻至初始溫度過程，器件的電特性與升溫前存在一定的遲豫現(xiàn)象，這主要是由于升溫期間ZnO薄膜有源層中產(chǎn)生的點缺陷(氧空位和間隙氧原子)，以及被缺陷態(tài)陷阱的電子需要較長時間通過復(fù)合而消失。

關(guān)鍵詞：薄膜晶體管；氧化鋅；電特性；溫度特性

0 引 言

近年來，隨著陰極射線管顯示器(CRT)逐漸淡出顯示器市場，如今，平板顯示器已成為顯示器市場的主流。目前，平板顯示器主要包括有源矩陣液晶顯示器(AMLCD)和有源矩陣有機發(fā)光二極管顯示器(AMOLED)。對于有源矩陣平板顯示器而言，薄膜晶體管(TFT)器件對平板顯示器的性能起到至關(guān)重要的作用，因此，薄膜晶體管技術(shù)已成為決定平板顯示器技術(shù)發(fā)展重要因素[1-2]。其中氧化鋅基薄膜晶體管(ZnO-TFT)具有制造工藝簡單、抗輻射能力強、遷移率高、環(huán)保無污染、可見光透明、資源豐富、價格低廉等優(yōu)勢[3-4]，在平板顯示、太陽能電池、光電探測器、集成電路和傳感器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[5]。

氧化鋅基薄膜晶體管較傳統(tǒng)非晶硅薄膜晶體管具有更高的有效場效應(yīng)遷移率和電流驅(qū)動能力，且制備工藝較簡單，ZnO-TFT最有望成為新一代薄膜晶體管技術(shù)[6-7]。盡管ZnO-TFT具有較大的優(yōu)勢，但是ZnO-TFT器件的穩(wěn)定性仍然是困擾其實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵問題。ZnO-TFT的不穩(wěn)定性突出表現(xiàn)在閾值電壓漂移、亞閾值擺幅大等方面，其中閾值電壓漂移嚴(yán)重影響了平板顯示器亮度的均勻性[8]。目前，氧化物薄膜晶體管穩(wěn)定性研究主要集中在電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力和空氣環(huán)境下的穩(wěn)定性[9-10]。然而，當(dāng)氧化物薄膜晶體管作為顯示器的驅(qū)動器件長時間工作時，除了受到長時間的電壓和電流應(yīng)力作用，同時由于顯示器基板背光的光熱效應(yīng)以及器件自身的焦耳熱，會導(dǎo)致器件工作溫度的變化，因此器件的熱穩(wěn)定性在實際應(yīng)用中亦至關(guān)重要。目前，對氧化物TFT熱穩(wěn)定性的研究報道較少，Estrada 等報道了ZnO-TFT電特性的溫度依賴性，主要表現(xiàn)為隨著工作溫度的升高，閾值電壓向負(fù)柵偏壓方向漂移[11]。本文采用射頻磁控濺射法制備了底柵頂接觸型ZnO-TFT器件，研究了工作溫度對ZnO-TFT電學(xué)特性的影響，討論了ZnO-TFT的熱穩(wěn)定性。

1 實 驗

實驗中制備的氧化鋅基薄膜晶體管器件為底柵頂接觸型結(jié)構(gòu)，其襯底和柵電極(G)都采用晶向為(100)、電阻率為0.6～1.2 ?·cm的n+型單晶硅片制備；柵介質(zhì)層為二氧化硅薄膜，采用干氧氧化法生長；有源層為氧化鋅薄膜，采用射頻磁控濺射法沉積；源(S)和漏(D)電極采用Al電極，采用真空蒸鍍法制作[12]。ZnO-TFT器件的有源層采用射頻磁控濺射法沉積氧化鋅薄膜而成，靶材為高純度的氧化鋅，濺射前反應(yīng)室真空度為1.9×10-4Pa，40:8的氬氣與氧氣流量比，200 ℃的基底溫度，60 W的射頻功率，10 r/min的樣品自轉(zhuǎn)速率，濺射時反應(yīng)室壓強為0.5 Pa，濺射時間為60 min；采用電容分析儀(Agilent 4284A型)測得ZnO-TFT器件單位面積柵介質(zhì)電容(Cox)為26.8 nF/cm2；ZnO-TFT器件的溝道長度(L)和寬度(W)由真空蒸鍍源、漏電極時采用的掩膜版圖形決定，分別為250 μm和30 μm；采用光反射測厚儀(NanoCal 2000型)測量薄膜厚度，測得柵介質(zhì)層的二氧化硅薄膜厚度為120 nm，測得有源層氧化鋅薄膜厚度為100 nm；采用可加熱探針臺(CASCADE RF-1型)和半導(dǎo)體參數(shù)分析儀(Agilent 4156C型)組成的測試系統(tǒng)測量氧化鋅基薄膜晶體管器件的電學(xué)特性，為了確保探針臺加熱系統(tǒng)顯示的溫度值更接近器件內(nèi)部的工作溫度，升、降溫過程每個測試溫度點穩(wěn)定20 s后再進(jìn)行器件電特性測試。

2 結(jié)果與討論

圖1為氧化鋅基薄膜晶體管器件在27 ℃室溫?zé)o光時的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性。如圖1(a)所示，該器件表現(xiàn)出良好的飽和特性，且工作于增強型；柵電壓和漏電壓都是正向偏壓，說明有源層的氧化鋅薄膜為n型半導(dǎo)體層；當(dāng)該器件的漏源電壓(VDS)和柵源電壓(VGS)分別為20 V和30 V時，漏電流(ID)為7.3×10-7A。

如圖1(b)所示，ZnO-TFT器件表現(xiàn)出良好的開關(guān)特性，漏電流可以被柵電壓較好地控制；當(dāng)逐漸對柵偏壓增加負(fù)向電壓時，漏電流并無明顯增加，晶體管保持關(guān)斷狀態(tài)，關(guān)態(tài)電流小于5.3×10-10A；當(dāng)逐漸加大柵偏壓的正向電壓時，晶體管保持處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)漏源電壓(VDS)和柵源電壓(VGS)分別為30 V和40 V時，該器件的開態(tài)漏電流(ID)可以達(dá)到4.1×10-6A。

當(dāng)薄膜晶體管處于飽和狀態(tài)時，源、漏極間的飽和電流ID,sat可以表示為

式中：Cox為薄膜晶體管的單位面積柵介質(zhì)電容，μeff為飽和區(qū)載流子有效場效應(yīng)遷移率，Vth為閾值電壓，W和L分別為ZnO-TFT器件溝道的寬度和長度。為了估算ZnO-TFT器件的μeff和Vth的值，圖1(b)繪制了與VGS的關(guān)系曲線，μeff可根據(jù)與VGS變化關(guān)系通過式(2)求得：

圖1 室溫下ZnO-TFT的電特性Fig.1 Electrical characteristics of ZnO-TFT at room temperature

圖2為ZnO-TFT器件從27 ℃逐步上升至210 ℃過程中的轉(zhuǎn)移特性。由圖2(a)可知，在低溫區(qū)(＜80 ℃),晶體管都呈現(xiàn)出相對較好的開關(guān)特性，而在較高溫度區(qū)(＞100 ℃)，開關(guān)特性明顯變差；當(dāng)溫度高于160 ℃，晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線趨于直線，晶體管基本失去了開關(guān)控制作用。從圖2(a)還可以發(fā)現(xiàn)，該ZnO-TFT處于不同的工作區(qū)域時漏電流隨溫度的變化關(guān)系呈現(xiàn)出不同的規(guī)律性。晶體管處于開態(tài)時漏電流隨溫度升高先增加而后減小，而當(dāng)晶體管處于關(guān)態(tài)時，漏電流隨溫度升高呈單調(diào)遞增趨勢。

圖2 升溫過程轉(zhuǎn)移特性與溫度之間的依賴關(guān)系Fig.2 Temperature dependence of transfer characteristics in ascending sequence

為了進(jìn)一步分析工作溫度對器件性能參數(shù)的影響，圖2(b)給出了當(dāng)VDS=30 V時測試溫度從27 ℃上升至210 ℃時ZnO-TFT的與VGS的關(guān)系曲線。利用式(2)由圖2(b)可提取出不同測試溫度下ZnO-TFT器件的主要電性能參數(shù)，如圖3所示。由圖3(a)可知，ZnO-TFT的閾值電壓隨著測試溫度的升高向負(fù)柵偏壓方向漂移，直到溫度升高至160 ℃后向正柵偏壓方向少許移動。閾值電壓隨著溫度的升高向負(fù)柵偏壓方向漂移，這主要是因為隨著溫度的升高，ZnO薄膜有源層中本體載流子濃度增加所致[13-14]。載流子有效場效應(yīng)遷移率隨溫度的升高先增加，當(dāng)溫度升至60 ℃附近出現(xiàn)最大值，而后開始逐漸減小。一般而言，遷移率主要由雜質(zhì)缺陷散射和晶格振動散射兩方面決定，在低溫區(qū)雜質(zhì)缺陷散射占主導(dǎo)，溫度升高，雜質(zhì)散射減弱，所以遷移率增大；在高溫區(qū)以晶格振動散射為主，溫度越高散射增強，因此遷移率隨溫度升高反而減小。對于硅基場效應(yīng)晶體管，遷移率的最大值在-103 ℃附近[15]，而對于我們的器件，遷移率最大值的溫度點比硅基MOSFET高約160 ℃，這是因為ZnO有源層中的氧空位的電離能(～1.3 eV)遠(yuǎn)高于硅單晶中磷雜質(zhì)的電離能(～0.044 eV)，從而使雜質(zhì)電離的溫度區(qū)向高溫端偏移。而高于60 ℃后出現(xiàn)的遷移率減小主要來源于晶格散射的增強和點缺陷的增加。由圖3(b)可知，隨著溫度的升高，亞閾值擺幅不斷增加，這是由于溫度升高，氧原子因熱激發(fā)而離開初始位置，產(chǎn)生氧空位，受激發(fā)的氧原子形成間隙氧，產(chǎn)生新的點缺陷，從而導(dǎo)致亞閾值擺幅增加[13]。開關(guān)電流比隨著溫度的升高而減小，這也可以解釋為因溫度升高引起與氧相關(guān)的點缺陷(氧空位和間隙氧)增加，從而導(dǎo)致關(guān)態(tài)電流增加所致。

圖3 ZnO-TFT的性能參數(shù)與溫度之間的變化關(guān)系Fig.3 Temperature dependence of electrical parameters of ZnO-TFT in ascending sequence

為了更進(jìn)一步描述漏電流與溫度的變化關(guān)系，圖4給出了ZnO-TFT器件處于開態(tài)(VDS=30 V，VGS=40 V)和關(guān)態(tài)(VDS=30 V，VGS=-10 V)時漏電流隨測試溫度變化的關(guān)系曲線。由圖4可知，當(dāng)晶體管處于開態(tài)(圖4大圖所示)時，溫度從室溫27 ℃升至80 ℃的過程，開態(tài)電流有所增加，漏極電流從5.4 μA升高至11 μA；而當(dāng)溫度從80 ℃升至160 ℃時，開態(tài)電流從11 μA下降到1.7 μA；當(dāng)溫度高于160 ℃后，開態(tài)電流又出現(xiàn)一定的回升。漏電流隨溫度的變化關(guān)系受載流子濃度和遷移率隨溫度的變化關(guān)系兩方面決定。低溫段(＜80℃)，由于遷移率和載流子濃度隨溫度增加而增加，因此在相同偏壓下漏電流增加；高溫段(80 ℃～160℃)，盡管載流子濃度隨溫度升高有所增加，但遷移率隨溫度升高而明顯減小，從而導(dǎo)致漏電流減小。當(dāng)晶體管處于關(guān)態(tài)時(圖4(b)所示)，從室溫到230 ℃，器件的關(guān)態(tài)電流總體呈現(xiàn)增加趨勢，從0.55 nA升至125 nA。在180 ℃附近出現(xiàn)回落后又快速增加，其產(chǎn)生原因有待于進(jìn)一步研究。

為了更深入分析氧化鋅基薄膜晶體管的溫度特性，當(dāng)ZnO-TFT器件的測試溫度升高到230 ℃時且穩(wěn)定后，逐漸給該器件降溫直至降到室溫(30 ℃)，并測得不同溫度點下ZnO-TFT器件的轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖5所示。隨著測試溫度的降低，器件的開態(tài)電流逐漸增加，開關(guān)特性逐漸恢復(fù)，器件各項電學(xué)特性逐漸恢復(fù)到升溫前的初始狀態(tài)。利用式(1)和(2)，當(dāng)VDS=30 V時，由圖5可計算得到ZnO-TFT器件不同測試溫度下的主要電特性參數(shù)，如表1所示。

圖4 不同工作區(qū)域漏電流與溫度的變化關(guān)系Fig.4 Drain current versus temperature for different operation regions

圖5 降溫過程中轉(zhuǎn)移特性與溫度之間的依賴關(guān)系Fig.5 Temperature dependence of transfer characteristics in descending sequence

由表1可知，ZnO-TFT隨著測試溫度的下降，亞閾值擺幅逐漸減小，當(dāng)溫度下降至30℃時，亞閾值擺幅漸漸恢復(fù)至升溫前的水平；閾值電壓、開關(guān)電流比和載流子有效場效應(yīng)遷移率總體趨于增大，與升溫過程相比，器件的電特性存在一定的遲豫，這是因為升溫過程晶格位置上的氧原子離開后產(chǎn)生的點缺陷(氧空位和間隙氧)，在降溫過程無法立即復(fù)合而消失，而需要較長時間才能恢復(fù)至初始態(tài)。值得一提的是，當(dāng)溫度降到室溫時，載流子遷移率為升溫前的兩倍，約為0.24 cm2·V-1·s-1。這可能是由于在ZnO-TFT制備過程蒸鍍源、漏電極后并沒有進(jìn)行退火處理，升溫過程有助改善源、漏Al電極與ZnO之間的接觸，從而降低了接觸電阻所致。另外，降溫后開關(guān)電流比比初始值下降近一個數(shù)量級，僅為1.4×103。這也可以解釋為升溫過程氧原子離開后產(chǎn)生的點缺陷(氧空位和間隙氧)因降溫過程來不及即時復(fù)合，從而導(dǎo)致關(guān)態(tài)電流比初始值高出一個數(shù)量級。

表1 降溫過程ZnO-TFT的主要電學(xué)參數(shù)Table 1 The main electrical parameters of the ZnO-TFT device in descending sequence

3 結(jié) 論

采用射頻磁控濺射法制備了ZnO-TFT，研究其電學(xué)特性與工作溫度之間的依賴關(guān)系。實驗結(jié)果表明：該器件呈現(xiàn)出良好的場效應(yīng)晶體管特性，表現(xiàn)出優(yōu)良的飽和特性。在室溫27 ℃到210 ℃之間，隨著溫度的升高，ZnO薄膜有源層中本體載流子濃度增加，從而導(dǎo)致ZnO-TFT的閾值電壓向負(fù)柵偏壓方向移動；載流子有效場效應(yīng)遷移率先略增加再逐漸減小，這來源于有源層中點缺陷的增加和載流子散射強弱的變化雙重作用；亞閾值振幅和關(guān)態(tài)電流隨溫度升高而增大，主要是由于溫度誘導(dǎo)點缺陷的形成。降溫恢復(fù)過程，器件的電性能存在一定的遲豫，這主要是由于升溫期間ZnO薄膜有源層中產(chǎn)生的點缺陷(氧空位和間隙氧原子)通過復(fù)合而消失需要一個較長的時間。

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Temperature Dependence of the Electrical Characteristics of ZnO Thin Film Transistors

WANG Cong1,2a，LIU Yurong2a, 2b
( 1. Department of Electronic Information, Shanwei Vocational and Technical College, Shanwei 516600, Guangdong Province, China; 2.a School of Electronic and Information Engineering; b. National Enginering Technology Research Center for Mobile Ultrasonic Detection, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China )

Abstract:ZnO-based Thin Film Transistors (ZnO-TFTs) were fabricated by Radio Frequency (RF) magnetron sputtering successfully, and the temperature dependence and influence mechanism of the electrical characteristics of ZnO-TFTs are investigated. With the increase of the test temperature in the temperature range from 27 ℃ to 210 ℃, the on/off current ratio and the threshold voltage of the ZnO-TFT decrease significantly, and the subthreshold swing increases obviously, and the carrier mobility increases firstly and then decreases gradually. The change of electrical properties is mainly due to the combination effect of the increase of carrier concentration, the generation of point defects, and the enhancement of interface scattering in the channel active layer caused by the temperature increase. In addition, when the device is instantaneously cooled to the initial temperature, there is a hysteresis in the electrical characteristics. The main reason is that the recombination process need take a long time to reach the initial state for the generated point defects and interstitial oxygen atoms in the active layer caused by high temperature on the heating stage.

Key words:thin film transistor; zinc oxide; electrical characteristics; temperature dependence

作者簡介：王聰(1980-)，男(漢族)，廣東揭陽人。講師，碩士，主要從事半導(dǎo)體器件物理方面的教學(xué)與研究。E-mail:congw4026@qq.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(61076113)

收稿日期：2015-11-17； 收到修改稿日期：2015-12-28

文章編號：1003-501X(2016)02-0050-05

中圖分類號：TN321+.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2016.02.009