氧氬比對(duì)MoZnO薄膜晶體管性能的影響

劉建文，高曉紅，岳廷峰，孟 冰，付 鈺

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

0 引言

氧化鋅(ZnO)是重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料，它有優(yōu)異的光電性能、低生長(zhǎng)溫度、高耐輻射性能、無(wú)毒無(wú)害、環(huán)境友好、儲(chǔ)量豐富等優(yōu)點(diǎn).與傳統(tǒng)的硅基TFT相比，ZnO基TFT更受歡迎，并已應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)有源矩陣平板顯示器(AMFPD)，如IGZO,AZO,TZO等[1-2].其中銦鎵鋅氧化物(IGZO)引起了更多關(guān)注，因?yàn)殂熀玩壟cZnO具有出色的晶格匹配性，Ga可以通過(guò)抑制氧空位的形成控制載流子濃度[3].考慮到銦是有毒且昂貴的，因此，迫切需要找到更好的替代元素.為了解決這些問(wèn)題，我們嘗試在顯示器中常用的金屬材料ZnO中摻雜鉬(Mo).眾所周知，ZnO薄膜的導(dǎo)電性是由晶格中的間隙金屬原子和氧空位決定的，兩者的離子半徑的差異不大(Zn2+半徑0.06 nm；Mo6+半徑0.062 nm)使得摻雜不會(huì)造成明顯的晶格畸變.而且，與Zn原子相比，Mo可以再提供4個(gè)自由載流子，以減少相同數(shù)量載流子的離子散射效應(yīng)[4]. 氧化鋅中Mo原子取代Zn位可以產(chǎn)生非本征載流子，使MoZnO成為最有潛力的TFT材料之一[5].

為了研究MoZnO TFT的性能，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中對(duì)不同氧分壓對(duì)器件性能的影響進(jìn)行了研究，氧分壓是影響遷移率，閾值電壓等性能的最重要因素之一.本文使用磁控濺射方法在室溫下制備了底柵型MoZnO TFT，使用X射線衍射儀(XRD)與紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)對(duì)薄膜的結(jié)晶性與光學(xué)特性進(jìn)行了表征，使用半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀測(cè)試器件的性能，并解釋了氧分壓對(duì)MoZnO TFT性能的影響機(jī)理.

1 實(shí)驗(yàn)

采用射頻磁控濺射法在kurtJ.Lesker的PVD 75型磁控濺射設(shè)備上制備MoZnO薄膜.濺射靶材采用的是純度為99.99 %的高純ZnO陶瓷靶以及純度為99.99 %的高純Mo靶；基片是具有100 nm SiO2介電層的Si(004)襯底，先用丙酮超聲清洗10 min，再用乙醇超聲清洗10 min，最后用去離子水超聲清洗10 min.濺射時(shí)工作氣體為氬氣，反應(yīng)氣體為氧氣，薄膜沉積之前，先預(yù)濺30 min以清除靶表面雜質(zhì).沉積時(shí)ZnO靶濺射功率為150 W，Mo靶濺射功率為3 W，濺射壓強(qiáng)8 m Torr，生長(zhǎng)溫度為室溫，薄膜厚度45 nm，氧氬比(O2∶Ar)控制為5∶95，15∶85，25∶75，35∶65.然后將薄膜進(jìn)行濕法光刻，蒸鍍Al電極.器件制備完成后采用快速退火爐在300℃下空氣氛圍下退火15 min.

圖1、圖2是TFT器件的結(jié)構(gòu)示意圖和顯微鏡照片.器件溝道長(zhǎng)10 μm，寬300 μm.使用半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀測(cè)試TFT器件的電學(xué)性能，采用X射線衍射儀分析MoZnO薄膜的結(jié)晶特性，采用紫外分光光度計(jì)來(lái)分析薄膜的光學(xué)特性.

圖1 TFT器件的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of TFT device

圖2 顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 Microscope photo

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

圖3為不同氧氬比條件下的MoZnO薄膜的XRD圖譜.

圖3 不同氧氬比下的MoZnO薄膜的XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of MoZnO thin films under different oxygen-argon ratios

由圖3可以看出，4個(gè)薄膜的XRD均出現(xiàn)了ZnO(002)峰[6]，對(duì)應(yīng)衍射角為34.1°說(shuō)明晶體沿c軸擇優(yōu)取向生長(zhǎng)[7]，并且圖中未出現(xiàn)其他晶向，說(shuō)明Mo的摻雜沒(méi)有改變ZnO的六方纖鋅礦的結(jié)構(gòu)[8].隨著氧氬比的增大，衍射峰強(qiáng)度逐漸減小，這是由于隨著氧氬比的增加，Ar的相對(duì)含量減小，氬離子對(duì)靶材的轟擊作用小于氧離子對(duì)靶材的轟擊作用，導(dǎo)致MoZnO薄膜結(jié)晶質(zhì)量下降[9].

2.2 光學(xué)特性分析

圖4為不同氧氬比條件下制備的MoZnO薄膜透過(guò)率.所有薄膜在可見(jiàn)光范圍內(nèi)(波長(zhǎng)400 nm～700 nm)具有較高的透過(guò)率，平均透過(guò)率均在90 %以上.圖5是不同氧氬比條件下制備的MoZnO薄膜的(αhν)2-(hν)曲線.

圖4 不同氧氬比MoZnO薄膜透過(guò)率Fig.4 Transmittance of MoZnO film with different oxygen-argon ratio

圖5 不同氧氬比MoZnO薄膜的光學(xué)帶隙Fig.5 Optical band gap of MoZnO film with different oxygen-argon ratio

根據(jù)Tauc公式(1)[10]:

(αhv)=B(hv-Eg)1/2

(1)

式中，α為吸收系數(shù)，L/g·cm-1；hν為光子能量，eV；Eg為光學(xué)帶隙值，eV[11]；其中B為常數(shù).

在O2∶Ar為5∶95,15∶85,25∶75,35∶65的制備條件下，所制備的薄膜的光學(xué)帶隙分別為3.235 eV,3.259 eV,3.264 eV,3.282 eV，結(jié)果表明光學(xué)帶隙隨著氧氬比的增大而增大，這是因?yàn)橛性磳訉?duì)氧分壓變化十分敏感，隨著氧氬比的增大，占據(jù)導(dǎo)帶底的氧空位缺陷減少導(dǎo)致了薄膜光學(xué)帶隙的增加[12-13].

2.3 TFT器件性能分析

圖6為不同氧氬比下制備的MoZnO TFT的輸出特性曲線.

(a) O2∶Ar=5∶95(b)O2∶Ar=15∶85(c)O2∶Ar=25∶85(d)O2∶Ar=35∶65圖6 不同氧氬比下制備的MoZnO TFT的輸出特性曲線Fig.6 The output characteristic curve of MoZnO TFT prepared under different oxygen-argon ratio

圖7 不同氧氬比條件下制得的 MoZnO TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.7 Transfer characteristics of MoZnO TFTs prepared under different oxygen-argon ratios

從圖5中可以看出，制備的器件具有良好的柵壓調(diào)制作用和飽和特性.IDS隨著VDS的增大而增大，意味著晶體管是典型的N溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管，工作在增強(qiáng)型模式下.在低的柵壓區(qū)域沒(méi)有電流擁擠的現(xiàn)象，說(shuō)明TFT器件Al電極和MoZnO溝道層具有良好的歐姆接觸.器件的輸出性能隨著氧氬比的增大逐漸增強(qiáng)，當(dāng)O2∶Ar=5∶95時(shí)器件的輸出性能最差，當(dāng)施加的柵極電壓VGS為40 V時(shí)，漏極電壓VDS為20 V時(shí)，源漏輸出電流IDS為11.7 μA，而當(dāng)O2∶Ar=35∶65時(shí),TFT器件的輸出性能最好，IDS達(dá)到41.2 μA.

圖7為不同氧氬比條件下制得的MoZnO TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線.從圖5可以看出TFT器件具有較為良好的開(kāi)關(guān)特性.MoZnO TFT的主要性能參數(shù)如表1所示.

隨著氧氬比的提高，器件的開(kāi)關(guān)特性有著較為明顯的變化，器件的開(kāi)關(guān)比先提高后減小，當(dāng)O2∶Ar為25∶75時(shí)，開(kāi)關(guān)電流比Ion/Ioff最高，為3.42×107.隨著氧氬比的提高，閾值電壓從21 V右移至13 V.

其中，載流子遷移率計(jì)算公式(2)為[14]：

(2)

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，隨著氧氬比的提高，相應(yīng)的載流子遷移率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，O2∶Ar為25∶75時(shí)載流子遷移率最大，為0.72 cm2·V-1.這是由于隨著通入氧氣的增多，氧空位的缺陷會(huì)減小，則對(duì)薄膜中的載流子的散射作用會(huì)減弱，載流子濃度升高，器件的遷移率也逐漸增大.但是隨著氧氣含量過(guò)多，薄膜中的氧空位過(guò)少，則氧空位提供的自由電荷載流子減少，導(dǎo)致有源層的載流子濃度降低，因此器件的遷移率降低.

SS為亞閾值擺幅，表征了器件的開(kāi)啟速度.隨著氧氬比的增大，薄膜表面陷阱密度逐漸減少，被束縛著的自由電荷數(shù)量減少，導(dǎo)致增加?xùn)艍簳r(shí)電流增速相對(duì)加快，SS減?。坏钱?dāng)氧氬比增加到一定程度后，雖然被束縛的自由電荷數(shù)量減小，但主要由于載流子濃度降低，自由電荷的總數(shù)急劇減少，增加?xùn)艍簳r(shí)電流增速也比較慢，因此，SS又逐漸增大.

利用式(3)可以計(jì)算界面缺陷態(tài)密度[15]：

(3)

式中,SS為亞閾值擺幅，V/decade；k代表玻爾茲曼常數(shù)，J/K；T是絕對(duì)溫度，K；q是單位電子電量，C；Ci代表單位面積柵介質(zhì)電容，mF/cm2.如表1所示，當(dāng)氧氬比為25∶75時(shí)的界面缺陷態(tài)密度最低，為3.04×1018cm-2·eV-1.

3 結(jié)論

利用濕法光刻技術(shù)和射頻磁控濺射的方法在Si襯底上制備了底柵型MoZnO薄膜晶體管，研究了不同氧氬比對(duì)MoZnO薄膜晶體管電學(xué)性能的影響，用XRD對(duì)有源層薄膜進(jìn)行了結(jié)晶特性的表征，發(fā)現(xiàn)隨著氧氬比的提高，薄膜結(jié)晶質(zhì)量下降.用紫外分光光度計(jì)表征薄膜光學(xué)特性，顯示薄膜在可見(jiàn)光區(qū)域平均透過(guò)率均在90 %以上，帶隙隨著氧氬比提高而增大.O2∶Ar為25∶75時(shí)器件性能最佳，電流開(kāi)關(guān)比為3.42×107，閾值電壓為17.8 V，亞閾值擺幅為4.2 V-1·decade-1，載流子遷移率為0.72 cm2·V-1，界面缺陷態(tài)密度Ni為3.04×1018cm-2·eV-1.