非晶氧化錫鉍薄膜晶體管偏壓穩(wěn)定性的研究

傅若凡,楊建文,張 群

(復(fù)旦大學(xué) 材料科學(xué)系TFT-LCD關(guān)鍵材料及技術(shù)國家工程實驗室，上海 200433)

近年來，以非晶氧化物薄膜晶體管(Thin Film Transistors, TFTs)技術(shù)為代表的新一代平板顯示技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展和長足進步[1].傳統(tǒng)的非晶硅(Amorphous Silicon, a-Si)TFTs雖然具有均勻性好、成本低、技術(shù)成熟等優(yōu)點，但其載流子遷移率一般小于1cm2/(V·s-1)，這無法滿足大尺寸高清顯示的需要[2].而低溫多晶硅(Low Temperature Polycrystalline Silicon, LTPS)TFTs具有均勻性好的優(yōu)點，但是其工藝制備溫度偏高，并且由于多晶態(tài)的存在，均勻性相對較差，而且成本也較高.碳納米管TFTs和石墨烯TFTs具有高的遷移率，但是將其可控地量產(chǎn)依然是一個非常大的挑戰(zhàn)[3].以非晶銦鎵氧(Amorphous InGaZnO4, a-IGZO)為代表的非晶氧化物半導(dǎo)體能夠兼顧非晶硅均勻性好，成本低和低溫多晶硅遷移率高的優(yōu)點.自從2004年Hosono課題組在Nature發(fā)表了第一篇關(guān)于a-IGZO TFT的研究文獻后，氧化物TFTs便得到了廣泛關(guān)注和迅速發(fā)展[4-7].a-IGZO遷移率高的原因在于a-IGZO依靠傳輸半徑較大且相互重疊的In3+(電子配置(n-1)d10ns0)s軌道傳輸電子[8-9].

但是a-IGZO使用了價格昂貴并且資源非常稀缺金屬In元素，從長遠來看，其不能滿足可持續(xù)發(fā)展的要求.因此，探究新型無銦或者少銦型薄膜晶體管是有必要的.另外，a-IGZO里面含有Zn元素，Zn元素被證明具有降低TFT穩(wěn)定性的效果，并且ZnO易溶于酸，背溝道刻蝕方法制備的TFT會對溝道有損害[10].Sn4+和In3+具有相同的電子結(jié)構(gòu)配置，因此Sn4+成為最有希望制備出高遷移率TFT的材料之一.目前，已經(jīng)有課題組制備出了遷移率高達96.4cm2/(V·s-1)的氧化錫TFTs[11].氧化錫易于結(jié)晶，而據(jù)相關(guān)文獻報道摻雜鉍元素可有效抑制氧化錫結(jié)晶，從而提高器件均勻性.另外由于鉍元素的外層6s電子軌道的半徑較大，電子云重疊，使得于非晶狀態(tài)的溝道層也能擁有較高的遷移率[12].我們課題組曾經(jīng)對非晶氧化錫鉍(a-SnBiO)中鉍摻雜含量對TFTs性能的影響進行了相關(guān)的研究.相應(yīng)的a-SnBiO TFTs展現(xiàn)出了良好的開關(guān)特性[13].但是a-SnBiO TFTs的偏壓穩(wěn)定性并沒有得到很好的驗證.此外，目前論文中關(guān)于氧化錫基TFTs穩(wěn)定性的報道相對較少.理解a-SnBiO TFTs的偏壓穩(wěn)定性機制有助于了解氧化錫基TFTs的特性.在本論文中，我們采用真空中測試a-SnBiO TFTs偏壓穩(wěn)定性的方法，避免了空氣中水分、氧氣吸附等因素的影響.我們發(fā)現(xiàn)，無論是正偏壓還是負(fù)偏壓下，a-SnBiO TFTs均表現(xiàn)為閾值電壓異常的負(fù)漂現(xiàn)象，同時通過能帶理論對該穩(wěn)定性進行了相關(guān)的解釋.

1 實驗過程

1.1 溝道層a-SnBiO薄膜晶體管的制備

本實驗中所制備的a-SnBiO TFTs使用Si-SiO2襯底，采用底柵層錯結(jié)構(gòu).P型硅片作為柵電極，熱生長100nm的SiO2作為柵絕緣層.利用磁控濺射的方法10nm厚a-SnBiO薄膜作為溝道層，陶瓷靶材成分SnO和Bi2O3原子百分比為97.3∶2.7.濺射條件為： 功率為60W，總氣壓為0.6Pa，氬氣(Ar)和氧氣(O2)流量分別為50cm3/s和1.2cm3/s.然后，使用射頻磁控濺射方法沉積60nm厚的ITO薄膜作為源漏電極，濺射靶材成分In2O3和SnO2的質(zhì)量百分比為90∶10，總氣壓0.6Pa，使用純氬氣，流量50cm3/s.溝道圖形化采用沉積時掩膜覆蓋的方式，溝道寬長比為500μm∶100μm.整個沉積過程在室溫下完成.待所有沉積步驟完成后，整個TFTs放到空氣中350℃退火60min.用于測量結(jié)晶狀態(tài)和透過率的薄膜以相同的沉積條件分別制備于硅片和玻璃基板上.

1.2 分析測試方法

本文中顯示的溝道層薄膜透光率圖譜使用UV2450型紫外-可見分光光度計測量；薄膜厚度采用型號為Kosaka Laboratory ET3000的表面輪廓儀測量；X射線能譜使用Rigaku D/max-r B型X射線衍射儀(X-ray Diffraction, XRD)測量；采用透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy, TEM)進一步表征薄膜的結(jié)晶特性；采用半導(dǎo)體性能測試儀(Agilent B1500)測試TFTs的電流電壓特性，整個測試過程在真空且黑暗環(huán)境下進行，其中真空度達10-1Pa.在測量光照偏壓穩(wěn)定性時，采用光照強度46000 lux的白色LED光進行照射.

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 溝道層a-SnBiO薄膜的性能表征

圖1(a～d)分別為典型的SnBiO薄膜a-SnBiO薄膜的XRD衍射圖案、透射電鏡圖譜、透光率曲線以及(hv)2-hv曲線.

圖1 a-SnBiO薄膜的XRD衍射圖案(a)，透射電鏡圖譜(b)，透光率曲線(c)以及(hv)2-hv曲線(d)Fig.1 The typical XRD pattern(a), TEM pattern(b), transmittance(c) and (hv)2-hv curve of a-SnBiO thin film(d)

從XRD圖譜中可以看到，除了3°附近的襯底峰以外，沒有看到明顯的結(jié)晶峰，充分說明所制備的SnBiO薄膜是非晶結(jié)構(gòu).同樣，從TEM圖譜中，也可以清楚的看到，薄膜原子呈現(xiàn)無序形狀，衍射圖案中也沒有出現(xiàn)明顯的衍射環(huán)，進一步證實了溝道薄膜的非晶狀態(tài).從透光率圖譜中可以看到，SnBiO薄膜具有很好的透光性能，透光率大于85%，根據(jù)Tauc式[14]：

(αhv)m=A(hv-Eg),

其中：α為吸收系數(shù)；h為普朗克常數(shù)；v為光子頻率；A為能量系數(shù)；m的值有1/2和2兩個,分別對應(yīng)間接帶隙和直接帶隙.由于SnO2為直接帶隙[15-16]，m取2.通過延長(hv)2-hv曲線線性部分到hv軸可以得到薄膜的光學(xué)帶隙.從圖1(d)中可以計算得出，SnBiO薄膜的光學(xué)帶隙大于3.8eV，這個光學(xué)帶隙要比IGZO帶隙(3.17～3.38eV)大很多，這對于實現(xiàn)透明顯示來說具有很大的優(yōu)勢.

2.2 a-SnBiO薄膜晶體管的性能

圖2(a)表示出了a-SnBiO TFT的結(jié)構(gòu)示意圖.圖2(b)和(c)分別顯示了a-SnBiO TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線，從圖2(a)中可以看到，曲線表現(xiàn)出了很好的開關(guān)特性.通過下式可以計算得出TFT的場效應(yīng)遷移率[13]：

其中：ID為漏極電流；Ci為每單位面積介質(zhì)層電容；UG為柵極電壓；Uth為閾值電壓；UD為漏極電壓；W為溝道寬度；L為溝道長度.計算得出TFT的場效應(yīng)遷移率為2.5cm2/(V·s-1)，開關(guān)比為2.0×107，亞閾值擺幅為0.8V/decade，閾值電壓為0.7V.從輸出曲線可以看到，線性區(qū)性能良好，說明源漏電極接觸良好，并沒有明顯的電流擁堵效應(yīng).

圖2 a-SnBiO TFT結(jié)構(gòu)示意圖(a)，a-SnBiO TFT轉(zhuǎn)移曲線(b)和輸出曲線(c)Fig.2 The structure diagram(a), the transfer curve(b) and output curves(c) of a-SnBiO TFT

圖3(a～d)分別表示a-SnBiO TFTs的正偏壓穩(wěn)定性(Positive Bias Stress, PBS)、負(fù)偏壓穩(wěn)定性(Negative Bias Stress, NBS)、光照正偏壓(Positive Bias Illumination Stress, PBIS)和光照負(fù)偏壓(Negative Bias Illumination Stress, NBIS)的穩(wěn)定性.測量偏壓時，源漏電極接地，柵極施加20V(PBS、PBIS)、-20V(NBS、NBIS)，測試光照偏壓穩(wěn)定時，同時施加光照強度46000 lux的白色LED光.施加偏壓PBS、NBS、PBIS和NBIS后閾值電壓的漂移量總結(jié)如圖3(e)所示.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，所有轉(zhuǎn)移曲線在施加偏壓后均表現(xiàn)出向負(fù)電壓方向的漂移.這種現(xiàn)象是非常不正常的.因為對于性能良好的IGZO TFTs來說，PBS應(yīng)該引起閾值電壓的正向漂移，而非負(fù)向漂移.這是因為在PBS條件下，電場方向從柵極指向溝道層，因此溝道層中的電子會在電場的驅(qū)使下向溝道層/介質(zhì)層界面移動，然后被界面處缺陷態(tài)捕獲，從而導(dǎo)致溝道層中載流子數(shù)量減少，因此需要更大的柵壓來形成通道，閾值電壓右偏.對于本實驗中a-SnBiO TFTs來說，很明顯應(yīng)該是載流子增加的過程.另外，在NBS下引起氧化物TFTs的載流子增加常常是由于外界水分吸附在背溝道層上并釋放出電子或者背溝道吸附氧氣的脫附形成的[17-21].對于本實驗測試來說，由于在真空中測量，所以這種情況可以被排除.在PBS 1000s以后，閾值電壓漂移量為-1.2V，這說明溝道層中載流子數(shù)量增加了.在光照下，即PBIS 1000s后，閾值電壓漂移量更大，達到-7.9V.NBS 1000s后，閾值電壓漂移量為-9.0V.

圖3 在PBS(a)，NBS(b)，PBIS(c)，NBIS(d)條件下的轉(zhuǎn)移特性曲線以及偏壓下閾值電壓隨時間的變化量(e)Fig.3 The transfer curves of a-SnBiO TFTs under the conditions of PBS(a), NBS(b), PBIS(c)， NBIS(d) and the threshold voltage shifts under different stress conditions(e)

為了更好地解釋上述現(xiàn)象，本文引入了能帶圖，如圖4(a～d)所示.在PBS的作用下，一方面溝道層內(nèi)的電子被吸引到溝道層和絕緣層的界面處，被缺陷態(tài)捕獲；另一方面，電場會在溝道層內(nèi)部或在源漏電極處會誘導(dǎo)產(chǎn)生類施主能級，釋放電子.最終溝道層內(nèi)電子濃度的變化以及表現(xiàn)出來的閾值電壓的漂移方向是由這兩種作用機制競爭的結(jié)果[22].且據(jù)文獻報道，溝道層內(nèi)被捕獲的電子數(shù)與垂直方向上的電場強度有關(guān)，但施主缺陷態(tài)產(chǎn)生的電子數(shù)(VO+e-→VO2++3e-)卻只與局域電場的強度與有關(guān)，而與方向無關(guān)[23].我們認(rèn)為在a-SnBiO TFTs的偏壓誘導(dǎo)漂移機制中，缺陷態(tài)電子的產(chǎn)生具有不可忽視的作用[17,24].在a-SnBiO溝道層中，有大量的施主缺陷態(tài)存在.因此，在PBS條件下，溝道層中由于局域電場的存在，缺陷態(tài)電離，產(chǎn)生大量的電子.同時，在電場作用下一部分電子在電場的作用下移動到a-SnBiO/SiO2界面，進而被缺陷態(tài)捕獲.雖然如此，a-SnBiO層中電子依然高于施加偏壓前，因此造成閾值電壓的負(fù)向漂移.在NBS條件下，同樣大量的電子產(chǎn)生，但是與PBS不同的是，此時電場方向由源漏電極指向柵極，電子沿電場方向向著溝道層內(nèi)部移動，因此被界面態(tài)缺陷捕獲的電子數(shù)量減少，造成體內(nèi)載流子數(shù)目的增加的更多，因此相比PBS，NBS閾值電壓負(fù)向漂移量進一步增加.光照同樣可以作為能量輸入，使得溝道層內(nèi)電子數(shù)量增加[25-27].因此在PBIS偏壓后，載流子數(shù)目增加量要比PBS增加的更多，導(dǎo)致閾值電壓進一步劣化.最嚴(yán)重的情況發(fā)生在施加NBIS后，此時，由于光照和電場的共同作用，溝道層內(nèi)電子增加的數(shù)量很多，且大部分移動向體內(nèi)，因此閾值電壓負(fù)向漂移量達到最大.在1000s NBIS偏壓后，閾值電壓漂移量達到了-13.3V.

圖4 a-SnBiO TFTs在PBS(a)，NBS(b)，PBIS(c)和NBIS(d)條件下的能帶圖Fig.4 The energy band diagrams of a-SnBiO TFTs under PBS(a), NBS(b), PBIS(c) and NBIS(d)

3 結(jié) 語

本文利用射頻磁控濺射的方法制備非晶氧化錫鉍薄膜晶體管，并顯示出良好的開關(guān)性能.但TFT在偏壓測試下呈現(xiàn)出向負(fù)方向漂移的現(xiàn)象.負(fù)偏壓漂移量要大于正偏壓漂移量，且光照加劇了偏壓不穩(wěn)定性.這主要是由于溝道層內(nèi)缺陷態(tài)過多，偏壓下產(chǎn)生大量的載流子，因此負(fù)向漂移.電場方向決定了電子被缺陷態(tài)捕獲的數(shù)量，正偏壓下電子傾向于被溝道/介質(zhì)層界面缺陷捕獲，而負(fù)偏壓被捕獲的數(shù)量少很多.光照能夠提供能量，使得溝道層內(nèi)產(chǎn)生更多的載流子濃度，加劇偏壓下的負(fù)向漂移量.