多孔SiO2為柵介質(zhì)的IGZO基雙電層薄膜晶體管

臨沂大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 崔勝戰(zhàn) 張健豪 王曉新 闕怡涵 馬卓杰 杜路路

薄膜晶體管的低電壓操作一直是研究者期待解決的問(wèn)題。雙電層電容具有巨大的電容，被認(rèn)為是低功耗電子器件有希望的候選材料。我們以磁控濺射技術(shù)沉積多孔SiO2固態(tài)電解質(zhì)薄膜為介質(zhì)層，制備了銦鎵鋅氧（InGaZnO：IGZO）基雙電層薄膜晶體管（EDLT）。多孔SiO2薄膜表現(xiàn)出大的雙電層電容（0.2μF/cm2），具有大的柵極調(diào)控作用。因此，IGZO基EDLT可以工作在<1V的柵極電壓下。

以銦鎵鋅氧InGaZnO（IGZO）為代表的氧化物半導(dǎo)體具有寬帶隙（3.4eV）、高載流子遷移率、對(duì)可見(jiàn)光透明、可大面積均勻成膜、以及可低溫甚至室溫成膜（因而可在柔性襯底上制備）等特點(diǎn)，因此對(duì)柔性、透明、和可穿戴電子特別有利?；贗GZO的薄膜晶體管在平板顯示器上已經(jīng)得到了商業(yè)化應(yīng)用，但是目前主要的挑戰(zhàn)是功耗大。雙電層薄膜晶體管（EDLT）由于其電解質(zhì)具備豐富的可移動(dòng)離子，在外加?xùn)艍旱淖饔孟?，可移?dòng)的離子發(fā)生定向漂移，在柵電極/電解質(zhì)和電解質(zhì)/半導(dǎo)體的界面積累，形成雙電層（EDL）。EDL的厚度～1nm，因此具備極高的雙電層電容，通常>1uF/cm2。有效增強(qiáng)了柵調(diào)控能力，降低晶體管的功耗。最近，溶液處理的離子液體/凝膠和聚合物電解質(zhì)，以及氧化物基固態(tài)電解質(zhì)（SiO2，Al2O3）已被用于降低TFT的工作電壓。然而，溶液態(tài)的電解質(zhì)材料往往形狀難以控制，通常需要光刻或者印刷工藝。與離子液體/凝膠和聚合物電解質(zhì)相比，基于氧化物的固態(tài)電解質(zhì)具有許多優(yōu)勢(shì)，例如可控的形狀和厚度以及高穩(wěn)定性。固態(tài)多孔SiO2電解質(zhì)近幾年得到廣泛研究，但是大多數(shù)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PECVD），通常需要高成本和消耗時(shí)間比較長(zhǎng)（高真空和低沉積速度）。比如，南京大學(xué)萬(wàn)青教授課題組使用PECVD沉積多孔SiO2制備了IGZO EDLTs，實(shí)現(xiàn)了高性能，例如1.0V的低工作電壓、<80mV/dec的低亞閾值擺幅以及～106的高開(kāi)關(guān)比。然而制備成本相對(duì)較高且大面積不兼容。

在這篇文章中，我們制備了基于IGZO的EDLT，其介質(zhì)層為射頻磁控濺射法沉積的多孔SiO2固態(tài)電解質(zhì)薄膜。我們用原子力顯微鏡（AFM）和掃描電子顯微鏡（SEM）研究了SiO2介質(zhì)層的表面形貌結(jié)構(gòu)和橫截面結(jié)構(gòu)特征；用電學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)，研究了SiO2介質(zhì)薄膜的電容特性和擊穿特性。研究結(jié)果表明，SiO2薄膜具有多孔結(jié)構(gòu)，并且可以形成巨大的雙電層電容。此外，基于SiO2固態(tài)電解質(zhì)制備的IGZO基EDLT顯示出<1V的低操作電壓和可以接受的開(kāi)關(guān)比～5×104（Vgs:-3V～3V）。

1 實(shí)驗(yàn)

我們制備了一個(gè)底柵頂接觸的IGZO基EDLT。首先，選用重?fù)诫sP型硅作為襯底和柵電極材料，依次使用迪康、去離子水、丙酮、乙醇超聲清洗，并用N2吹干；其次，使用射頻磁控濺射法沉積150nm厚SiO2薄膜作為介質(zhì)層，其中濺射功率為60W，氬氣流速為40sccm；再次，使用磁控濺射技術(shù)在室溫下沉積24nm厚的IGZO層作為有源層；最后，使用電子束蒸發(fā)沉積Ti/Au（50/20nm）作為源/漏電極。有源層長(zhǎng)和寬分別為60和2000μm。使用掃描電子顯微鏡（SEM,FEI Nova NanoSEM 450）測(cè)試濺射SiO2的橫截面結(jié)構(gòu)。使用原子力顯微鏡（AFM,Dimension FastScan?）測(cè)試濺射SiO2的表面形貌。SiO2薄膜和IGZO基EDLTs器件的電學(xué)特性選用電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)（Agilent B2902A和Keysight E4980A LCR meter）測(cè)試。

2 結(jié)果分析與討論

圖1(a)顯示磁控濺射沉積SiO2薄膜的AFM圖，分析顯示其均方根（RMS）表面粗糙度為1.78nm。圖1(b)顯示熱氧化SiO2薄膜表面的AFM圖，其RMS粗糙度為0.26nm。結(jié)果表明，磁控濺射沉積SiO2薄膜RMS粗糙度比熱氧化SiO2大的多。圖1(c)所示為磁控濺射沉積SiO2截面的SEM圖，圖中顯示SiO2厚度約為150nm，形貌呈現(xiàn)出多孔結(jié)構(gòu)，該多孔結(jié)構(gòu)有助于吸收水分，促進(jìn)H+在SiO2薄膜中的移動(dòng)。薄膜呈現(xiàn)出的多孔結(jié)構(gòu)，可能是由于在濺射過(guò)程中，低功率和大的氣體流量導(dǎo)致濺射粒子沒(méi)有足夠的能量自組裝形成致密的薄膜。

圖1 (a)磁控濺射SiO2薄膜 (b)熱氧化SiO2薄膜表面的AFM圖 (c)濺射SiO2薄膜橫截面的SEM圖

為了測(cè)試濺射多孔SiO2薄膜的電學(xué)特性，制備了Ti/濺射SiO2/Si結(jié)構(gòu)如圖2(a)插圖所示。圖2(a)中黑色線所示為電容-頻率特性，結(jié)果顯示在頻率為100Hz時(shí)，電容為0.2μF/cm2，且電容隨著頻率增大而逐漸減小。低頻時(shí)大電容主要是由于多孔SiO2薄膜吸附的H2O被電離成H+和OH-，在電場(chǎng)的作用下，移動(dòng)到界面處，形成雙電層，表現(xiàn)出大電容特性。隨著頻率增大，電容減小，主要是受質(zhì)子移動(dòng)速度的影響。圖2(a)中藍(lán)色曲線所示為相位角-頻率特性曲線，結(jié)果顯示：當(dāng)f<3×105Hz時(shí)，相位角<-45o，顯示出電容特性；當(dāng)f>3×105Hz時(shí)，相位角>-45o，顯示出電阻特性，主要是由于頻率太高，H+來(lái)不及移動(dòng)，無(wú)法形成雙電層電容。圖2(b)所示為濺射SiO2薄膜的擊穿特性曲線，薄膜表現(xiàn)出一個(gè)軟擊穿特性，在電壓約為45V時(shí)，薄膜被擊穿，原因尚不清楚。

圖2 磁控濺射SiO2薄膜的電容-頻率特性和相位角-頻率特性(a)和濺射SiO2薄膜的擊穿特性(b)

圖3(a)所示為底柵頂接觸IGZO基EDLT的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3(b)為IGZO基EDLT的轉(zhuǎn)移特性曲線圖，其源漏電壓為3V，柵壓掃描范圍為-3V～3V，器件開(kāi)關(guān)比～5×104。同時(shí)，圖3(b)表現(xiàn)出一個(gè)逆時(shí)針的滯回曲線，主要是由于多孔SiO2介質(zhì)層中離子移動(dòng)造成的。圖3(c)為IGZO基EDLT的輸出特性曲線，結(jié)果表明，在Vgs<1V的操作電壓下，器件達(dá)到飽和電流，這主要是由于大的雙電層電容具有較強(qiáng)的柵極調(diào)控作用。

圖3 IGZO基EDLT的器件結(jié)構(gòu)圖(a)、轉(zhuǎn)移(b)、和輸出(c)特性曲線圖

3 結(jié)論

本文通過(guò)工業(yè)兼容的射頻磁控濺射技術(shù)成功沉積了多孔SiO2固態(tài)電解質(zhì)薄膜材料，并且以多孔SiO2薄膜為介質(zhì)層制備了IGZO基EDLTs。多孔SiO2薄膜可以形成大的雙電層電容，具有較強(qiáng)的柵極調(diào)控作用。因此，IGZO基EDLTs表現(xiàn)出一個(gè)較好的電學(xué)特性，其可以在<1V的操作電壓下工作，并且表現(xiàn)出一個(gè)可以接受的開(kāi)關(guān)比。