退火溫度對(duì)AZTO薄膜晶體管電學(xué)特性的影響

左歡歡，王 超，楊 帆

吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院,長春 130118

0 引言

由于金屬氧化物薄膜晶體管(Thin film transistor,英文縮寫為TFT)相比于傳統(tǒng)的非晶硅(Amorphous silicon,英文縮寫為A-Si)薄膜晶體管具有高載流子遷移率、良好的光學(xué)透過率而受到越來越多的關(guān)注[1].目前,廣泛研究的金屬氧化物半導(dǎo)體材料有銦鎵鋅氧化物(Indiumgalliumzincoxide,英文縮寫為IGZO),IGZO-TFT具有很多優(yōu)點(diǎn),比如遷移率較高、柵絕緣層選擇廣泛(SiO2,SiNx,Y2O3,HfO2),均勻性好等,這些優(yōu)勢使其在有源矩陣液晶顯示器(Active matrix liquid crystal display,英文縮寫為AMLCD)和有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管顯示器(Active matrix organic light emitting diode display,英文縮寫為AMOLEDD)等平板及柔性顯示領(lǐng)域倍受人們的青睞[2].盡管IGZO-TFT具有良好的器件性能,但其組成元素銦(In)、鎵(Ga)均為稀有元素,經(jīng)濟(jì)成本很高[3],不利于廣泛制備,因此研究不含In,Ga類金屬氧化物逐漸成為熱點(diǎn)[4],其中鋁鋅錫氧化物(Aluminium zinc tin oxide,英文縮寫為AZTO)所含元素儲(chǔ)量大,價(jià)格便宜,并且AZTO-TFT也具有很高的載流子遷移率和良好的器件性能,因而成為無銦類金屬氧化物材料的代表[5].

本文擬通過射頻磁控濺射方法,沉積AZTO薄膜,在高溫下退火后制備成TFT,并利用半導(dǎo)體參數(shù)儀測試不同退火溫度下器件的性能.

1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用美國Kurt J.Lesker磁控濺射設(shè)備沉積AZTO薄膜,Si(004)襯底上具有285 nm SiO2介電層,靶材由ZnO,AI2O3,SnO2粉末混合燒結(jié)而成,摻雜的質(zhì)量百分比為ZnO∶Al2O3∶SnO2=58∶2∶40,氬氧比為99∶1,濺射氣壓為8 m Torr,濺射功率為100 W,襯底溫度為常溫.然后在空氣氣氛下對(duì)薄膜進(jìn)行30 min的退火,退火溫度分別為400 ℃,450 ℃,500 ℃,600 ℃.將退火處理后的薄膜通過與金屬掩膜板貼合,再次通過磁控濺射設(shè)備沉積電極銀,制備成TFT器件.

本實(shí)驗(yàn)沒有采用傳統(tǒng)的濕法光刻技術(shù)蒸鍍電極,而是直接在薄膜上貼合金屬掩膜板沉積電極,薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 AZTO薄膜晶體管結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of AZTO thin film transistor

圖2 不同退火溫度下AZTO-TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.2 Transfer characteristics of AZTO-TFT at different annealing temperatures

2 結(jié)果與討論

圖2為不同退火溫度下TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線即源漏電流IDS-柵源電壓VGS曲線, 源漏電壓VDS為20 V,柵源電壓VGS范圍為-20 V～+40 V.由圖2可知,所有器件都存在轉(zhuǎn)移特性,具有明顯的關(guān)態(tài)區(qū)和開態(tài)區(qū)[6],當(dāng)退火溫度由400 ℃升至500 ℃時(shí),AZTO-TFT器件的電流開關(guān)比由1.24×104增至2.16×107,當(dāng)溫度升至600 ℃時(shí),器件的電流開關(guān)比則又由2.16×107降至6.29×106,整體呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢,當(dāng)退火溫度為500 ℃時(shí),器件的電流開關(guān)比達(dá)到最大,其值為2.16×107.

圖3～圖6為源漏電壓VDS為20 V時(shí)的IDS1/2-VGS曲線,作曲線的斜率延長線,其與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)為器件的閾值電壓[7],經(jīng)擬合得到每個(gè)器件IDS1/2-VGS曲線中直線段的斜率分別為1×10-4,2×10-4,3×10-4,5.5×10-4.器件在飽和區(qū)工作時(shí)的場效應(yīng)遷移率由下式計(jì)算:

(1)

Ci=εrε0/dinsulator

(2)

式中,K為IDS1/2-VGS曲線中擬合出的斜率;L/W為溝道的長寬比[8],其中長度L和寬度W分別為200 μm和1 000 μm;Ci為絕緣層單位面積的柵電容, nF/cm2,本文中的Ci為12.1 nF/cm2;εr為絕緣層材料的相對(duì)介電常數(shù)(即絕緣層材料介電常數(shù)與真空介電常數(shù)之比);ε0為真空介電常數(shù),nF/cm,其值為8.85×10-5nF/cm;dinsulator為絕緣層的厚度,cm.

圖3 400 ℃退火的AZTO-TFT的IDS1/2-VGS曲線Fig.3 IDS1/2-VGS curve of AZTO-TFT annealed at 400 ℃

圖4 450 ℃退火的AZTO-TFT的IDS1/2-VGS曲線Fig.4 IDS1/2-VGS curve of AZTO-TFT annealed at 450 ℃

圖5 500 ℃退火的AZTO-TFT的IDS1/2-VGS曲線Fig.5 IDS1/2-VGS curve of AZTO-TFT annealed at 500 ℃

圖6 600 ℃退火的AZTO-TFT的IDS1/2-VGS曲線Fig.6 IDS1/2-VGS curve of AZTO-TFT annealed at 600 ℃

表1給出了不同退火溫度下器件的電學(xué)性能參數(shù).

由表1可知,隨著退火溫度的升高,器件的閾值電壓先增大后降低,在退火溫度為600 ℃時(shí),閾值電壓達(dá)到最低為13 V,所需驅(qū)動(dòng)電壓最小,器件的能耗也最小[9].器件的遷移率從0.33 cm2/(V·s)增至10.00 cm2/(V·s),顯著增大,本文推測可能是由于溫度的升高,薄膜中的氧空位降低有利于提高遷移率,其中一種完全電離的氧空位以淺施主形式在導(dǎo)帶底附近存在,另外一種非電離的中性氧空位以深缺陷的形式存在,隨著退火溫度的不斷升高,更多的氧空位就會(huì)電離出電子,從深缺陷狀態(tài)轉(zhuǎn)移成為淺施主狀態(tài)[10],因此自由電子會(huì)大量增多,遷移率也隨之增大.2019年上海大學(xué)楊祥等[10]人的研究結(jié)果與本文得到的規(guī)律相同.綜合考慮,器件在600 ℃高溫退火的狀態(tài)下性能最佳,閾值電壓最低,遷移率最高,開關(guān)比為6.29×106.

表1 不同退火溫度下AZTO-TFT的電學(xué)性能Table 1 Electrical properties of AZTO-TFT at different annealing temperatures

3 結(jié)語

本文通過磁控濺射方法,制備了AZTO-TFT,并對(duì)不同退火溫度下器件的電學(xué)特性做了研究,隨著退火溫度的升高,可能是由于氧空位的減少,器件的遷移率得到了較大的提高,相反閾值電壓得到降低.總而言之,通過高溫退火,得到了遷移率和開關(guān)比高、閾值電壓小的器件,說明高溫退火對(duì)提高器件的性能具有很大的幫助,由此加深了對(duì)TFTs器件性能的理解,為將來制備高遷移率的AZTO-TFT奠定一定的基礎(chǔ).