鋁摻雜量對(duì)于鋁鋅氧薄膜晶體管的電學(xué)性能的影響

王 冶，王 超*，楊 帆

1 吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院,長(zhǎng)春 130118 2 吉林省建筑電氣綜合節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130118

0 引言

透明氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管因其優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性能而備受關(guān)注，與傳統(tǒng)的硅薄膜晶體管相比,其具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力,在驅(qū)動(dòng)有源矩陣平板顯示器,如有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管顯示器等方面有著巨大的應(yīng)用空間.由于氧化鋅(ZnO)基TFTs具有高遷移率與優(yōu)良的穩(wěn)定性,并且其能夠使用低溫工藝制備,因而大量關(guān)于氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管的研究是基于ZnO的[1-2].不過由于ZnO中存在大量的氧空位與Zn間隙等本征缺陷,對(duì)于諸如開關(guān)比、亞閾值擺幅、場(chǎng)效應(yīng)遷移率等器件性能指征產(chǎn)生影響.因此，研究人員需要探索對(duì)ZnO基TFTs進(jìn)行優(yōu)化的工藝方法,一個(gè)重要的方法便是摻雜Ga[3],In[4],Mg[5]等元素,其中,銦鎵鋅氧化物(IGZO)薄膜晶體管其優(yōu)異的性能尤其引發(fā)人們的關(guān)注[6].然而,IGZO薄膜晶體管的可靠性令人擔(dān)憂,并且其優(yōu)化的空間很小尤其是銦元素昂貴的成本以及毒性,使其難以降低IGZO薄膜晶體管生產(chǎn)的可持續(xù)性與成本.為解決上述問題,需要探索新的材料.由于鋁是自然界中豐度最大的元素且無毒無害,成為替代銦元素的有力競(jìng)爭(zhēng)者.目前，已經(jīng)有關(guān)于AZO-TFT的報(bào)道,2014年, Dedong Han等[7]人在柔性聚酯塑料襯底上使用磁控濺射法成功制備了AZO-TFT,SiO2絕緣層厚度100 nm，柵極與源漏電極使用100 nm厚度的氧化銦錫(ITO)，AZO有源層厚度100 nm.器件閾值電壓為1.4 V，開關(guān)比為1.0×107，場(chǎng)效應(yīng)遷移率28.2 cm2·(V·s)-1，亞閾值擺幅0.19 V/decade, 2017年,Wen Yu等[8]人以玻璃作襯底,柵極采用100 nm厚的ITO,107 nm厚的SiO2作絕緣層,源漏電極采用75 nm厚的ITO,該器件飽和遷移率12.6 cm2/V.s,開關(guān)比達(dá)到107.以上研究皆使用了ITO作為源漏電極且通過退火都獲得了性能優(yōu)異的薄膜晶體管.本文將采用Al作為源漏電極,在低溫工藝下制備AZO-TFT,以期探索以更簡(jiǎn)便的工藝流程實(shí)現(xiàn)對(duì)In的徹底替代,并且低溫工藝還可以為未來的可降解襯底AZO-TFT提供條件.

目前制備薄膜材料的常用方法有:磁控濺射[9-10](Magnetron sputtering),是指在真空腔室中,利用高壓氣體輝光放電的特性產(chǎn)生等離子體,之后等離子體里的正離子轟擊靶材,使粒子沉積在基片之上;原子層沉積[11](ALD,atomic layer deposition),是指一層一層地在襯底上生長(zhǎng)薄膜,該方法可以有效地控制薄膜的生長(zhǎng)厚度以及薄膜的組分,也可以用于大面積制備;脈沖激光沉積[12](PLD,pulsed layer deposition)，是一種利用激光轟擊靶材從而將轟擊出來的物質(zhì)沉積到襯底上的方法,具有成膜效率高,組分控制精確的優(yōu)點(diǎn);溶液法[13]，與真空工藝相比可以在大氣環(huán)境中進(jìn)行,無需昂貴的真空設(shè)備,制備工藝簡(jiǎn)便,成本低,可以大規(guī)模制備.由于磁控濺射法成膜效率高,能耗低且具有較高的成膜質(zhì)量,故本實(shí)驗(yàn)選用磁控濺射法制備AZO薄膜.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 薄膜制備

本實(shí)驗(yàn)采用SiO2/Si襯底,絕緣層厚度約為200 nm,首先切割1.5 cm×1.5 cm大小的襯底進(jìn)行清洗,將襯底浸入丙酮,容器封口放入超聲波清洗機(jī)中清洗10 min,其次放入無水乙醇中,容器封口再次清洗10 min以去除襯底表面的丙酮,然后再放入超純水中,于超聲波清洗機(jī)中再清洗10 min以去除表面乙醇,最后放入烘箱烘干后可以得到潔凈的SiO2/Si襯底.

將純度99.99 %的Al靶材與ZnO靶材置入美國(guó)Kurt.lesker的PVD75型號(hào)磁控濺射設(shè)備中,之后進(jìn)行抽真空,當(dāng)真空度達(dá)到5×10-5mTorr后通入氬(Ar)氣,壓力達(dá)到20 mTorr開始起輝,兩個(gè)靶材起輝功率均為50 W.起輝成功后對(duì)靶材進(jìn)行10 min預(yù)濺射以去除襯底表面的雜質(zhì),之后設(shè)定參數(shù)進(jìn)行薄膜生長(zhǎng),各個(gè)參數(shù)條件如表1所示.

表1 AZO薄膜沉積條件Table 1 AZO film deposition conditions

1.2 器件制備

AZO-TFT結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 AZO-TFT結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 AZO-TFT structure schematic diagram 圖2 柵極位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of grid position 圖3 器件顯微鏡照片F(xiàn)ig.3 Device microscope photos

在磁控濺射法制備有源層完成之后用光刻工藝進(jìn)行圖案化,先將光刻膠均勻通過勻膠儀涂布在薄膜上,放入烘箱在90 ℃下前烘3 min,之后進(jìn)行曝光,將硅片置于5 ‰ 濃度氫氧化鈉溶液中進(jìn)行顯影,再放入烘箱在90 ℃下堅(jiān)膜3 min,使用5 ‰ 濃度稀鹽酸溶液腐蝕3 s,之后使用丙酮去膠.下一步是套刻流程,再次勻膠并前烘3 min,進(jìn)行套刻,曝光結(jié)束后再將硅片置于5 ‰ 濃度氫氧化鈉溶液中進(jìn)行顯影,完成圖案化.

本實(shí)驗(yàn)使用電子束蒸發(fā)(EB,electron beam evaporation)設(shè)備沉積厚度為50 nm的Al源/漏電極.電極生長(zhǎng)完成后,將器件放入丙酮中在超聲波清洗機(jī)內(nèi)進(jìn)行剝離直至溝道清楚明晰.之后選定器件一角打磨柵極如圖2所示,此方法制備柵極工藝簡(jiǎn)便,所制備的器件溝道長(zhǎng)度10 μm,寬300 μm,器件顯微鏡照片如圖3所示.最后使用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀(Semiconductor Parameter Analyzer)對(duì)TFT的電學(xué)性能進(jìn)行分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 電學(xué)性能分析

本實(shí)驗(yàn)使用同一種硅襯底制備了不同Al摻雜量的AZO-TFT,如圖4(圖中VGS為柵極電壓,VDS為源/漏電壓,IDS為源/漏電流,VGS為柵極電壓)所示,給出了4組不同Al摻雜功率制備AZO-TFT的輸出曲線.

(a) 鋁摻雜功率為10 W時(shí)的AZO-TFT輸出曲線

(c) 鋁摻雜功率為20 W時(shí)的AZO-TFT輸出曲線

(d) 鋁摻雜功率為25 W時(shí)的AZO-TFT輸出曲線

曲線給出了當(dāng)柵極電壓為5 V,10 V,15 V,20 V,25 V,30 V,35 V,40 V時(shí)源/漏電流與源/漏電壓的關(guān)系曲線,可以看出四者均未表現(xiàn)出明顯的飽和區(qū),這可能是由于Al源/漏電極與有源層沒有形成良好的歐姆接觸.隨著柵極電壓不斷增大,源/漏電流也逐漸增大,可以看出該AZO-TFT屬于n溝道器件.

如圖5所示,給出了4組不同Al摻雜功率制備AZO-TFT的轉(zhuǎn)移曲線.

在AZO-TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線中,當(dāng)VGS≤Voff(關(guān)態(tài)電壓),此時(shí)TFT進(jìn)入截至區(qū),此時(shí)的IDS為關(guān)態(tài)電流,當(dāng)VoffVGS-VTH時(shí),TFT處于飽和工作區(qū),此時(shí)有以下關(guān)系[14]:

(1)

式中,μ表示遷移率,cm2/(V·s);W表示溝道寬度,μm;L表示溝道長(zhǎng)度,μm;Ci表示單位絕緣層面積的電容,F/cm2.

綜上，通過圖5可以提取到描述TFT性能的4個(gè)關(guān)鍵參數(shù),即開關(guān)比(Ion/off),閾值電壓(Vth),亞閾值擺幅(SS),遷移率(μ).

圖5 不同Al摻雜功率制備的AZO-TFT轉(zhuǎn)移特性曲線(源/漏電流IDS-柵電壓VGS)曲線Fig.5 Transfer characteristic (drain-source currentIDS-gate voltage VGS) curves of AZO-TFTprepared by different aluminum doping power

圖6 不同鋁摻雜功率制備的AZO-TFT的IDS1/2-VGS曲線Fig.6 IDS1/2-VGS curves of AZO-TFTprepared by different aluminum doping power

(1) 開關(guān)比. 轉(zhuǎn)移曲線之中最大源/漏電流與最小源/漏電流的比值,直觀在轉(zhuǎn)移特性曲線中即是IDS最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的比值,開關(guān)比越高，代表器件性能越優(yōu)異,因此降低關(guān)態(tài)電流同時(shí)增大開態(tài)電流能夠顯著提升器件性能,有研究表明[15],漏電流對(duì)于關(guān)態(tài)電流產(chǎn)生影響,而開態(tài)電流主要受到器件本身的場(chǎng)效應(yīng)影響.

(2) 閾值電壓. 通過Vth的正負(fù)可以直觀判斷該器件屬于增強(qiáng)型器件還是耗盡型器件,當(dāng)Vth>0時(shí),器件為增強(qiáng)型器件,當(dāng)Vth<0時(shí)候,器件為耗盡型器件.求閾值電壓方法主要為做IDS1/2-VGS曲線,曲線切線延長(zhǎng)線與X軸的交點(diǎn)為閾值電壓,以下為IDS1/2-VGS曲線,如圖6所示.

(3) 亞閾值擺幅. 在轉(zhuǎn)移曲線的亞閾值區(qū)域部分做切線,最大切線斜率的倒數(shù)即是亞閾值擺幅SS,SS越小表明TFT的功耗越小.

(4) 遷移率. 遷移率反映載流子在材料中的運(yùn)輸效率,通過公式(1)可以計(jì)算.遷移率受到多種因素影響,如電離雜質(zhì)或結(jié)構(gòu)缺陷等.

表2為不同鋁摻雜功率制備的AZO-TFT性能參數(shù).

表2 不同鋁摻雜功率制備的AZO-TFT性能參數(shù)Table 2 Electrical properties of AZO-TFT prepared by different aluminum doping power

根據(jù)轉(zhuǎn)移曲線和表2不難看出,當(dāng)摻雜功率為10 W,15 W,20 W,25 W時(shí),AZO-TFT的開啟電壓分別為-8 V,-2 V,-7 V,-10 V,四者的開啟電壓均為負(fù),4組器件均為耗盡型器件.當(dāng)摻雜功率為15 W時(shí),此時(shí)開關(guān)比達(dá)到105,繼續(xù)提升Al摻雜功率開關(guān)比降低,其開啟電壓最接近于0 V,即最接近于增強(qiáng)型器件,閾值電壓與亞閾值擺幅也獲得了優(yōu)化.這是由于適量的Al摻雜能夠有效抑制載流子濃度,并與O鍵合從而減少O空位[16].

當(dāng)摻雜功率逐漸升高時(shí),器件遷移率產(chǎn)生了明顯的下降,這可能是由于Al2O3的禁帶寬度相比于ZnO要大很多,隨著薄膜組分之中Al含量增加,導(dǎo)致薄膜禁帶的寬度增加從而阻礙了載流子的運(yùn)輸[17],這降低了AZO-TFT的遷移率,其二是Al的摻雜減少了O空位也可以降低載流子濃度.

綜上,通過調(diào)整Al靶材濺射功率從而達(dá)到控制AZO薄膜中Al摻雜量的效果,通過綜合分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)Al摻雜功率為15 W時(shí),器件開關(guān)比可以達(dá)到105為最佳,隨著摻雜功率的提升,Al摻雜量上升,開關(guān)比與遷移率發(fā)生了下降.

2.2 表面形貌分析

圖7為不同濺射功率的AZO薄膜的SEM照片,放大倍數(shù)為50 000倍.由圖7可見,薄膜表面均都呈顆粒狀,晶粒較為致密,表面沒有裂紋,這顯示表面粗糙度較低,薄膜成膜質(zhì)量較好.

(a) 鋁摻雜功率為10 W時(shí)的SEM照片

(b) 鋁摻雜功率為15 W時(shí)的SEM照片

(c) 鋁摻雜功率為20 W時(shí)的SEM照片

(d) 鋁摻雜功率為25 W時(shí)的SEM照片

3 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)研究了鋁摻雜量對(duì)于AZO-TFT電學(xué)性能的影響.結(jié)果顯示,Al摻雜功率為15 W時(shí)器件電學(xué)性能最佳,電流開關(guān)比為4.0×105,閾值電壓為3 V,亞閾值擺幅為3 V·dec-1,遷移率1.6 cm2·(V·s)-1原因是少量Al摻雜降低了O空位的密度,提升了器件性能.不過使用Al作為源漏電極在低溫工藝下制備的AZO-TFT對(duì)比使用ITO作為源漏電極的AZO-TFT性能依然有差距,這也有待于進(jìn)一步進(jìn)行工藝的優(yōu)化與探索.