非晶銦鎵鋅氧化物薄膜晶體管電學(xué)性能研究

郭曉晴

（蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215000）

非晶銦鎵鋅氧化物薄膜晶體管電學(xué)性能研究

郭曉晴

（蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215000）

非晶態(tài)氧化物半導(dǎo)體材料因其優(yōu)良的性能而發(fā)展迅速，而非晶銦鎵鋅氧化物薄膜晶體管（a-IGZO TFT）更是憑借其電學(xué)特性的優(yōu)良以及高可見光透過率而成為研究的熱點(diǎn)。本文綜述了a-IGZO TFT與非晶硅TFT（a-Si∶H）在載流子遷移率、亞閾值擺幅等電學(xué)特性方面產(chǎn)生較大差異的原因，并且探究了a-IGZO TFT的溝道寬度對(duì)其電學(xué)性能的影響。

a-IGZO TFT；電學(xué)特性；溝道寬度

隨著顯示技術(shù)，尤其是平板顯示技術(shù)的飛速發(fā)展，薄膜晶體管作為顯示像素控制電路核心器件，它的特性和制備工藝等問題已經(jīng)成為顯示技術(shù)領(lǐng)域的核心問題之一。自進(jìn)入20世紀(jì)90年代，LCD正式進(jìn)入高分辨率高清晰度以及全彩色圖像顯示的新階段，有源矩陣薄膜晶體管液晶顯示技術(shù)在人們生活中起著越來重要的作用，其不斷推進(jìn)著技術(shù)的高速發(fā)展。有源矩陣液晶顯示技術(shù)以其高清晰度，大容量、功耗低而成為液晶的主導(dǎo)技術(shù)，同時(shí)也是研發(fā)的熱點(diǎn)。

目前使用最廣泛的a-Si∶H TFT具有載流子遷移率低等缺點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)高清晰度和高分辨率，而a-IGZO TFT作為一種新型氧化物半導(dǎo)體材料，具有較高的載流子遷移率，較大的禁帶寬度，較好的延展性，因此廣泛地被研究。同時(shí)a-IGZO TFT的制備工藝較為簡(jiǎn)單，其與現(xiàn)有設(shè)備的兼容性良好，非常具有代替非晶硅材料的潛力。

a-IGZO TFT和a-Si∶H TFT同為非晶材料，但是性能差異卻很大。本文通過對(duì)比兩種器件的電學(xué)參數(shù)，解釋這些現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，電學(xué)參數(shù)包括載流子遷移率，閾值電壓，亞閾值擺幅，開關(guān)電流比。同時(shí)，保持a-IGZO TFT溝道長(zhǎng)度不變，改變溝道寬度，比較溝道寬度對(duì)a-IGZO器件帶來的電學(xué)參數(shù)的變化。

1.實(shí)驗(yàn)

TFT的三端電壓通過影響有源層載流子分布可以控制器件工作模式，在不同的工作模式下，漏電流與柵端、漏端電壓存在著不同的關(guān)系，從器件的轉(zhuǎn)移特性曲線中我們能擬合提取性能指標(biāo)參數(shù)。

以n型器件為例，當(dāng)器件工作在線性區(qū)即Vds＜VGS-Vth時(shí)，實(shí)驗(yàn)利用線性區(qū)載流子遷移率和轉(zhuǎn)移特性曲線的關(guān)系，即

提取載流子遷移率，單位為cm2/V·s。亞閾值擺幅SS是利用，對(duì)亞閾值區(qū)轉(zhuǎn)移曲線進(jìn)行微分得到，并且選擇其中的最小值作為最終結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)利用Agilent 4156C精密半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀在Vector（MX-1100B）上測(cè)試器件的特性曲線數(shù)據(jù)。

1.1a-IGZO TFT和a-Si∶H TFT電學(xué)性能的比較研究

實(shí)驗(yàn)中用到的a-Si∶H TFT是采用傳統(tǒng)的底柵交錯(cuò)型結(jié)構(gòu)，制作在玻璃襯底上，柵絕緣層為SiNx，厚度為350nm，非晶硅溝道層厚度為120nm。a-IGZO器件采用的是底柵頂接觸結(jié)構(gòu)，柵絕緣層厚度20nm。本實(shí)驗(yàn)中兩種器件的寬長(zhǎng)比W/L均為10μm/10μm，如圖1所示。

由表1可以看出，a-IGZO TFT的載流子遷移率能達(dá)到a-Si∶H TFT遷移率的10倍。在非晶硅結(jié)構(gòu)中，由于懸掛鍵的存在使得TFT的性能退化，載流子遷移率很低，這也是在制作TFT時(shí)需要利用氫原子進(jìn)行鈍化提高TFT性能的原因。但是在半導(dǎo)體氧化物中，由于氧化物的離子性很強(qiáng)，在金屬原子和氧原子之間會(huì)有電荷的遷移，導(dǎo)致金屬原子最外層S軌道處于空狀態(tài)，這會(huì)使帶隙能量之差降低，從而使載流子更容易遷移。在氧化物半導(dǎo)體中，金屬陽(yáng)離子外層未被占據(jù)的s軌道的重合會(huì)給載流子提供很大的運(yùn)動(dòng)空間，這也能夠有效的提高載流子的遷移率。

在硅中，每形成一個(gè)硅空位，會(huì)在靠近帶隙的地方形成一個(gè)不成對(duì)電子的懸掛鍵，可以作為電子陷阱或者空穴陷阱，因此增加了表面陷阱。所以對(duì)于非晶硅來說，亞閾值擺幅比較大。氧化物半導(dǎo)體中氧空位的形成只能作為淺施主能級(jí)，但是不能作為陷阱存在，降低了亞閾值擺幅，因而有效地提高了器件的開關(guān)速度。

a-IGZO TFT缺陷密度比較小，禁帶寬度比較大，所以其泄漏電流小，開關(guān)電流比大。而且有學(xué)者研究表明IGZO薄膜有較高的電阻率，這也可能會(huì)使其泄漏電流降低。

1.2溝道寬度對(duì)a-IGZO TFT電學(xué)特性的影響

實(shí)驗(yàn)中使用的a-IGZO TFT制備工藝與上述實(shí)驗(yàn)相同，溝道長(zhǎng)度均為10μm，溝道寬分別為10μm，20μm，50μm。

對(duì)于低漏端電壓，較小的溝道寬度發(fā)生變化時(shí)，閾值電壓變化不明顯，但是存在閾值電壓隨著溝道寬度變化的現(xiàn)象。這是由于IGZO薄膜的熱導(dǎo)率低于硅和二氧化硅，熱擴(kuò)散不易進(jìn)行。當(dāng)溝道的寬增大時(shí)，使這一現(xiàn)象更加劇烈，稱為自加熱效應(yīng)。這種現(xiàn)象會(huì)在漏極電壓較大，溝道寬度較大時(shí)更明顯。自加熱效應(yīng)會(huì)使器件溫度升高，載流子遷移率下降，這點(diǎn)可以由表2看出，隨著溝道寬度的增加，載流子遷移率逐漸下降。通過熱電子場(chǎng)發(fā)射過程，溝道電子在絕緣層和IGZO界面時(shí)被缺陷捕獲，導(dǎo)致了閾值電壓正向遷移。從圖2中可以看出，亞閾值擺幅基本相同，這說明當(dāng)溝道寬度增加時(shí)對(duì)表面態(tài)并沒有明顯的影響。

理論上溝道寬度的增加能夠同時(shí)增大開態(tài)電流和泄漏電流，但在圖2中泄漏電流卻隨著溝道寬度的增加幾乎沒有變化，總體表現(xiàn)為開關(guān)電流比提高。

結(jié)論

氧化物中離子鍵的存在使a-IGZO TFT性能與a-Si TFT的有很大區(qū)別，表現(xiàn)為a-IGZO TFT亞閾值擺幅的減小，載流子遷移率的增大，泄漏電流的降低，總體使器件性能提高。在探究寬長(zhǎng)比對(duì)a-IGZO TFT影響時(shí)，表現(xiàn)出當(dāng)溝道長(zhǎng)度不變時(shí)，隨著溝道寬度的增加，載流子遷移率下降，閾值電壓提升，開關(guān)電流比增大和亞閾值擺幅減小的現(xiàn)象。

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