雙電層氧化鋅薄膜晶體管偏壓應(yīng)力穩(wěn)定性

王 聰， 劉玉榮， 彭 強(qiáng)， 黃 荷

(1. 汕尾職業(yè)技術(shù)學(xué)院 海洋學(xué)院, 廣東 汕尾 516600；2. 汕尾市海洋產(chǎn)業(yè)研究院 新能源材料與催化工程研究中心, 廣東 汕尾 516600;3. 華南理工大學(xué) 微電子學(xué)院, 廣東 廣州 510640)

1 引 言

近年來(lái)，采用環(huán)?？山到獾奶烊簧锊牧现苽渖锛嫒菪怨δ芷骷桨l(fā)受到關(guān)注，其中用天然生物材料制備薄膜晶體管(Thin-film transistors,TFTs)器件就是該領(lǐng)域重要應(yīng)用之一。TFTs作為核心驅(qū)動(dòng)部件已廣泛應(yīng)用于平板顯示器領(lǐng)域，同時(shí)在生物傳感器、便攜穿戴式電子器件、一次性電子產(chǎn)品等領(lǐng)域也具有極大的潛在應(yīng)用前景。但是，TFTs 器件的電學(xué)性能不穩(wěn)定性問(wèn)題和低功耗問(wèn)題已成為亟需解決的主要瓶頸問(wèn)題。目前已有不少報(bào)道[1-4]，其中采用電解質(zhì)材料作為器件的柵介質(zhì)層，利用其雙電層效應(yīng)，可大幅度降低工作電壓，實(shí)現(xiàn)超低功耗。

雙電層薄膜晶體管(EDL-TFTs)以電解質(zhì)作為柵介質(zhì)層，與傳統(tǒng)絕緣柵介質(zhì)材料不同的是，電解質(zhì)柵介質(zhì)層與有源層界面處在電場(chǎng)作用下形成納米級(jí)厚度的雙電層效應(yīng)，相當(dāng)于在界面處形成了一個(gè)超大的雙電層電容。該雙電層電容的單位面積電容可大于1 μF/cm2，從而使EDL-TFTs能在更低的電壓下工作，極大地減少了器件能耗[5]；另外，電解質(zhì)材料大都可以在室溫下制備，可更好地滿足穿戴式柔性電子器件對(duì)低溫制備的工藝要求[6-8]。基于上述特性，雙電層薄膜晶體管在便攜式傳感器、印刷電子技術(shù)、柔性電子器件、神經(jīng)形態(tài)工程等領(lǐng)域展現(xiàn)出較大的應(yīng)用潛力[9-11]。

目前，以天然生物電解質(zhì)材料作為柵介質(zhì)層的EDL氧化物TFT有較多報(bào)道，主要集中在不同電解質(zhì)與不同氧化物半導(dǎo)體之間的組合方式，制備的器件性能存在較大的差異。Liang 等以天然雞蛋清作為柵介質(zhì)層，采用磁控濺射法制備雙電層薄膜晶體管,該器件工作電壓低至1.5 V，開(kāi)關(guān)電流比高達(dá)2.4×108[12]。Guo 等以雞蛋蛋白為柵介質(zhì)層在柔性紙基底成功制作出雙電層(EDL)氧化物基薄膜晶體管，并展示了該器件在邏輯電路中的應(yīng)用[13-14]。Zhu 等以雞蛋清作為開(kāi)關(guān)層制備了電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RRAM)，該器件具有可靠的存儲(chǔ)性能[15]。Kim 等以雞蛋白為柵介質(zhì)制備了紙基非易失性存儲(chǔ)器薄膜晶體管，該器件高開(kāi)關(guān)電流比約為1.1×106，飽和遷移率為11.5 cm2/(V·s)，器件在分層和彎曲狀態(tài)下其特性也沒(méi)有明顯退化[16]。Jeon 等以雞蛋白為柵介質(zhì)制備了紙基氧化物薄膜晶體管，該器件溝道遷移率和亞閾值斜率分別為6.48 cm2/(V·s)和1.28 V/s[17]。此外，采用海藻酸鈉、蜂蠟、殼聚糖以及葡聚糖等天然生物可降解材料制備薄膜晶體管器件應(yīng)用于腦啟發(fā)神經(jīng)形態(tài)、濕度傳感領(lǐng)域、突觸仿生等技術(shù)領(lǐng)域也有相關(guān)報(bào)道[18-22]。然而，關(guān)于雙電層薄膜晶體管穩(wěn)定性的研究報(bào)道極少。本文采用射頻磁控濺射法在以天然雞蛋清作為柵介質(zhì)層上沉積氧化鋅薄膜形成有源層，制備出低柵頂接觸型雙電層氧化鋅薄膜晶體管,并對(duì)其電特性進(jìn)行了表征，研究了該ZnO-TFT在柵、漏偏壓應(yīng)力作用下電特性的穩(wěn)定性及其物理機(jī)制。

2 實(shí) 驗(yàn)

雙電層氧化鋅基薄膜晶體管實(shí)驗(yàn)樣品采用氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電玻璃作為襯底和柵(G)電極，樣品的主要制備工藝步驟如下：首先依次使用無(wú)水丙酮、無(wú)水酒精、高純水對(duì)ITO玻璃基片進(jìn)行超聲清洗；接著采用旋涂工藝在ITO玻璃基片上均勻旋涂一層天然雞蛋清薄膜，并放置于真空干燥箱中使雞蛋清從液態(tài)變成固態(tài)電解質(zhì)；隨后采用射頻磁控濺射(RF)法在雞蛋清柵介質(zhì)層上沉積氧化鋅薄膜有源層，RF功率設(shè)置為100 W，Ar與O2的流量比調(diào)控為30∶30(mL/min)；最后利用掩膜版采用真空鍍膜技術(shù)蒸發(fā)Al形成漏(D)極和源(S)極，最終制得底柵頂接觸型氧化鋅基薄膜晶體管。該器件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，樣品的溝道長(zhǎng)度(L)與寬度(W)由所用掩膜版圖形來(lái)確定，分別是80 μm和400 μm。

圖1 ZnO-TFT 器件結(jié)構(gòu)圖

雞蛋清柵介質(zhì)層厚度由臺(tái)階儀測(cè)得，約為850 nm；有源層氧化鋅薄膜的厚度利用德國(guó)Ocean Optics公司的光反射薄膜測(cè)厚儀進(jìn)行測(cè)量，其值為100 nm；單位面積柵介質(zhì)電容(Cox)采用Agilent 4284A電容分析儀測(cè)得；ZnO-TFT 器件的電特性使用Agilent 4156C 半導(dǎo)體參數(shù)分析儀及CASCADE RF-1探針臺(tái)組成的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試[23]。

3 結(jié)果與討論

圖2 給出了該ZnO-TFT 器件典型的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性曲線。如圖2(a)所示，器件在源漏電壓(VDS)處于0 V附近時(shí)漏極電流(IDS)不存在擁堵現(xiàn)象，表明ZnO有源層和Al源漏電極之間具有良好的歐姆接觸特性。當(dāng)該器件和VGS均為 2 V左右時(shí)達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)飽和漏電流達(dá)到15 μA，表明該器件可以在較低電壓下達(dá)到較大的驅(qū)動(dòng)電流。這是由于該ZnO-TFT 器件的柵介質(zhì)層(天然雞蛋清)中含有可自由移動(dòng)的H+，當(dāng)在ZnO-TFT 器件上加上柵源電壓時(shí)形成電場(chǎng)，H+在其作用下向有源層和柵介質(zhì)層的接觸面移動(dòng)并在柵介質(zhì)層表面處集聚形成正電荷層；同時(shí)有源層中的電子被H+形成的正電荷層吸引，在ZnO-TFT 器件的柵介質(zhì)層及有源層的界面處感應(yīng)形成了H+層和電子層，即兩界面處形成雙電層(EDL)；該雙電層僅納米級(jí)厚度，其電容非常大，所以可以使器件在比較小的電壓下產(chǎn)生較大的電流，即可以有效地減小器件的工作電壓。

薄膜晶體管器件工作于飽和區(qū)時(shí)源漏之間的飽和電流ID,sat通?？杀硎緸?/p>

(1)

圖2 EDL ZnO-TFT的電特性。(a)輸出特性曲線；(b)轉(zhuǎn)移特性曲線。

(2)

圖3 給出了實(shí)驗(yàn)中雙電層ZnO-TFT器件的電容-電壓(C-V)和電容-頻率(C-f)特性曲線。由圖3(a)看出，當(dāng)器件處于正柵壓時(shí)，該器件的電容值迅速增加了近3個(gè)數(shù)量級(jí)；而普通柵介質(zhì)形成的電容器件，其變化率只會(huì)小幅度同數(shù)量級(jí)的變化。表明所制備的ZnO-TFT器件施加正柵壓時(shí)，由于形成了雙電層，使器件的電容大幅度的增加。由圖3(b)的C-f關(guān)系可知，在低頻區(qū)附近(>100 Hz)電容隨著頻率的增加迅速減小，這與常規(guī)氧化物柵介質(zhì)器件特性明顯不同，對(duì)于常規(guī)柵介質(zhì)，通常低頻區(qū)電容隨頻率基本不變。樣品的C-f特性表明EDL-TFTs器件在較低的工作頻率下工作才可以實(shí)現(xiàn)低功耗特性，這是因?yàn)槠骷沤橘|(zhì)層中的可移動(dòng)H+離子只有在較低的頻率下響應(yīng)外加電場(chǎng)的變化，從而呈現(xiàn)出雙電層電容特性；在高頻電場(chǎng)條件下H+離子的移動(dòng)跟不上頻率的變化，因此雞蛋清柵介質(zhì)層就失去了雙電層電容特性，與傳統(tǒng)介電層的電容特性相當(dāng)。

圖3 EDL ZnO-TFT的C-V特性曲線(a)和C-f特性曲線(b)

3.1 柵偏壓應(yīng)力穩(wěn)定性

圖4 給出了ZnO-TFT在源漏偏壓VDS為0 V、柵偏壓應(yīng)力VGS分別為2 V和6 V時(shí)不同應(yīng)力時(shí)間后的轉(zhuǎn)移特性曲線。由圖4 可以看到，在不同的柵偏壓應(yīng)力作用下，轉(zhuǎn)移特性存在不同程度的變化，說(shuō)明其電特性存在柵偏壓應(yīng)力不穩(wěn)定性，且6 V的柵偏壓應(yīng)力要比2 V柵偏壓應(yīng)力的影響要大。

為了進(jìn)一步分析柵偏壓應(yīng)力與電性能的依賴關(guān)系，從圖4中提取出不同應(yīng)力時(shí)間下的電性能參數(shù)。圖5給出了器件在偏壓應(yīng)力VGS分別為2 V和6 V下閾值電壓偏移量(ΔVth)、場(chǎng)效應(yīng)遷移率(μ)、關(guān)態(tài)電流(Ioff)、亞閾值擺幅(SS)隨應(yīng)力時(shí)間的變化曲線。

圖4 不同柵偏壓應(yīng)力下ZnO-TFT 轉(zhuǎn)移特性隨應(yīng)力時(shí)間變化曲線。(a)VGS=2 V；(b)VGS=6 V。

由圖5可觀察到，對(duì)于VGS=2 V的正柵壓應(yīng)力，器件的ΔVth、μ和SS隨應(yīng)力時(shí)間的增加保持相對(duì)穩(wěn)定，變化較小。其中Vth存在少量波動(dòng)，μ隨應(yīng)力時(shí)間的增加有少許增加，SS保持較好的穩(wěn)定性。這是因?yàn)閂GS=2 V的柵偏壓應(yīng)力小于初始閾值電壓，此時(shí)半導(dǎo)體表面導(dǎo)電溝道層可動(dòng)電荷(溝道自由電子)還極為稀少，柵應(yīng)力電壓感應(yīng)的電子大都被溝道中缺陷態(tài)所俘獲。另外，當(dāng)柵偏壓應(yīng)力較小時(shí)，柵介質(zhì)中電場(chǎng)和半導(dǎo)體表面電場(chǎng)都相對(duì)較弱，不足以引起柵介質(zhì)體內(nèi)和界面產(chǎn)生新的缺陷態(tài)。對(duì)于VGS=6 V的正柵偏壓應(yīng)力，隨著應(yīng)力時(shí)間的增加，Vth先快速減小而后趨于穩(wěn)定(即向負(fù)柵偏壓方向漂移)，這可解釋為電解質(zhì)中的正電荷(如Na+)在柵應(yīng)力形成的電場(chǎng)作用下向柵界面處靠近所致；μ亦先快速減小而后趨于穩(wěn)定，15 min 應(yīng)力減小了近1倍，這說(shuō)明在較大的柵偏壓應(yīng)力作用下器件的遷移率發(fā)生明顯的退化；而SS則表現(xiàn)為不斷增大的趨勢(shì)，這說(shuō)明在柵偏壓應(yīng)力作用下器件溝道區(qū)及界面處產(chǎn)生了少量的新缺陷態(tài)[24]。無(wú)論是VGS=2 V還是VGS=6 V的柵應(yīng)力下，隨應(yīng)力時(shí)間增加，Ioff皆表現(xiàn)先明顯增大而后又有所恢復(fù)。這可能是雙電層等效于超級(jí)電容器，短時(shí)應(yīng)力作用時(shí)相對(duì)于電容充電，應(yīng)力結(jié)束轉(zhuǎn)移曲線測(cè)試時(shí)產(chǎn)生放電效應(yīng)，故導(dǎo)致Ioff增加；應(yīng)力作用一定時(shí)間(30 min)后，以放電效應(yīng)為主，所以Ioff又有所減小。柵偏壓應(yīng)力越大，充電電荷越多，Ioff增加也就越大。

圖5 不同柵偏壓應(yīng)力下ZnO-TFT的電學(xué)參數(shù)隨應(yīng)力時(shí)間變化曲線。(a)ΔVth 和μ隨t的變化曲線；(b)Ioff 和SS隨t的變化曲線。

基于以上分析，器件的正柵偏壓應(yīng)力引起的電性能不穩(wěn)定性的物理機(jī)制可由圖6 示意給出，無(wú)柵應(yīng)力時(shí)，蛋清電解質(zhì)中質(zhì)子(H+)、帶負(fù)電的大分子、雜質(zhì)離子(如Na+、K+等)隨機(jī)分布在柵介質(zhì)層中(如圖6(a))；當(dāng)器件施加正柵偏壓應(yīng)力作用時(shí)，由于應(yīng)力時(shí)源漏電極短接，應(yīng)力作用產(chǎn)生一個(gè)由柵極指向溝道界面的垂直電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)將雞蛋清電解質(zhì)中的H+推向柵介質(zhì)界面處，同時(shí)蛋清中的Na+、K+等正電荷離子也會(huì)在柵介質(zhì)與有源層界面處聚集，甚至進(jìn)入溝道中引起摻雜效應(yīng)，如圖6(b)所示。正電荷從電解質(zhì)體內(nèi)向界面聚集導(dǎo)致閾值電壓向負(fù)柵壓方向移動(dòng)，而界面處缺陷增加導(dǎo)致亞閾值擺幅增大；其次，界面處因H+引起的雙電層效應(yīng)，在界面處溝道中產(chǎn)生大量電子積累，部分溝道載流子(電子)被柵介質(zhì)層或柵介質(zhì)層和有源層的界面陷阱態(tài)所俘獲成為電荷中心[25-26]，從而對(duì)溝道中載流子的輸運(yùn)起散射作用，導(dǎo)致載流子遷移率降低；另外，在柵偏壓應(yīng)力下，尤其是柵偏壓較大的情況，溝道電子在電場(chǎng)作用下會(huì)注入到柵介質(zhì)體內(nèi)，在這個(gè)過(guò)程中可能對(duì)柵介質(zhì)層內(nèi)部及界面處弱鍵產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致新缺陷態(tài)形成，從而引起遷移率減小。因此，正柵偏壓應(yīng)力作用下，器件電性能的變化主要是柵介質(zhì)附近及界面處的正電荷聚集、充放電效應(yīng)及新陷阱態(tài)產(chǎn)生的復(fù)合效應(yīng)。

圖6 ZnO-TFT 柵偏壓應(yīng)力工作原理圖。(a)無(wú)柵偏壓應(yīng)力；(b)有正柵偏壓應(yīng)力。

3.2 漏偏壓應(yīng)力穩(wěn)定性

圖7 給出了器件在VGS為0 V、VDS分別為2 V和6 V的偏壓應(yīng)力下不同應(yīng)力時(shí)間的轉(zhuǎn)移特性曲線。由圖7 可以發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)力時(shí)間的增加，轉(zhuǎn)移特性曲線并沒(méi)有出現(xiàn)單一方向的漂移，而是呈現(xiàn)一定的來(lái)回波動(dòng)，漏偏壓應(yīng)力越大波動(dòng)的范圍也增大。對(duì)于VDS=2 V的漏偏壓應(yīng)力，隨應(yīng)力時(shí)間的增加，轉(zhuǎn)移曲線先左漂移而后向右漂移，且在60 min應(yīng)力時(shí)間后轉(zhuǎn)移曲線位于初始曲線的右側(cè)；而對(duì)于VDS=6 V的漏偏壓應(yīng)力，隨應(yīng)力時(shí)間的增加，轉(zhuǎn)移曲線先左漂移而后向右漂移，但在60 min應(yīng)力時(shí)間后轉(zhuǎn)移曲線仍位于初始曲線的左側(cè)。

為了更清晰地揭示漏偏壓應(yīng)力作用對(duì)器件電性能的影響，從圖7可以提取出該EDL ZnO-TFT器件的電性能參數(shù)。圖8給出了在VDS分別為 2 V和6 V的偏壓應(yīng)力作用下不同應(yīng)力時(shí)間的電參數(shù)ΔVth、μ、Ioff和SS隨應(yīng)力時(shí)間的變化曲線。

圖7 不同漏偏壓應(yīng)力下ZnO-TFT 轉(zhuǎn)移特性隨應(yīng)力時(shí)間變化。(a)VDS=2 V；(b)VDS=6 V。

由圖8(a) 可以看出，對(duì)器件施加漏偏壓應(yīng)力時(shí)，隨著應(yīng)力時(shí)間的增加Vth先減小而后再增加，且相比于VDS=2 V時(shí)的漏偏壓應(yīng)力，VDS=6 V時(shí)的漏偏壓應(yīng)力引起Vth的變化量增大；在較小的漏偏壓應(yīng)力(VDS=2 V)下，器件的μ隨應(yīng)力時(shí)間的增加沒(méi)有明顯的變化，而對(duì)于較大的漏偏壓應(yīng)力(VDS=6 V)時(shí)，μ隨著應(yīng)力時(shí)間的增加而增大，60 min應(yīng)力時(shí)間后μ增加近2倍；從圖8(b)可以看出，在不同的漏偏壓應(yīng)力作用下，Ioff隨應(yīng)力時(shí)間的增加先有少許減小，45 min后又有所增加；SS隨應(yīng)力時(shí)間的增加略有減小，但并沒(méi)有隨漏偏壓應(yīng)力的增加而增加。

圖8 不同漏偏壓應(yīng)力下ZnO-TFT的電學(xué)參數(shù)隨應(yīng)力時(shí)間變化曲線。(a)ΔVth 和μ隨t的變化曲線；(b)Ioff 和SS隨t的變化曲線。

器件在漏偏壓應(yīng)力下引起的電參數(shù)的不穩(wěn)定性可作如下解釋：當(dāng)器件施加漏偏壓應(yīng)力作用時(shí)，由于此時(shí)柵源短接(VGS=0 V)，因此應(yīng)力作用時(shí)器件內(nèi)部會(huì)誘導(dǎo)兩個(gè)電場(chǎng)，一個(gè)是溝道層的漏極端指向源極端的橫向電場(chǎng)，另一個(gè)是溝道有源層指向柵極的垂直電場(chǎng)。橫向電場(chǎng)使電子從源端注入溝道，并在溝道電場(chǎng)作用下向漏端遷移形成溝道電流，可導(dǎo)致有源層ZnO中因焦耳熱而產(chǎn)生新的氧空位，從而使溝道中的電子濃度增加[27]；另一方面，源端注入的電子也可能會(huì)被溝道中的陷阱態(tài)所捕獲，產(chǎn)生充放電效應(yīng)。垂直電場(chǎng)將雞蛋清電解質(zhì)中的H+、Na+和K+等可動(dòng)正電荷推向柵極一側(cè)，且其中的Na+和K+等正電荷在應(yīng)力釋放后的測(cè)試期間來(lái)不及恢復(fù)初始狀態(tài)，從而削弱了對(duì)器件的不利影響?；谝陨戏治?，可以認(rèn)為在漏偏壓應(yīng)力作用下器件的Vth的不穩(wěn)定性主要來(lái)源于溝道內(nèi)陷阱態(tài)對(duì)電子的捕獲效應(yīng)，在撤消應(yīng)力測(cè)試時(shí)溝道中被陷阱的電子來(lái)不及釋放，因此相當(dāng)于溝道中的有效陷阱態(tài)減小，對(duì)柵壓感應(yīng)的溝道電子陷阱作用減弱，即閾值電壓減小。但隨著應(yīng)力時(shí)間的增長(zhǎng)，由于柵電極與源電極接地，漏偏壓在柵介質(zhì)層產(chǎn)生由溝道指向柵極的垂直電場(chǎng)，該電場(chǎng)可將電解質(zhì)中的負(fù)電荷(Cl-、帶負(fù)電的蛋白等)驅(qū)趕至界面附近，故導(dǎo)致閾值向右漂移(ΔVth減小)。對(duì)于較大的漏偏壓應(yīng)力(VDS=6 V)，隨著應(yīng)力時(shí)間的延長(zhǎng)，溝道電流形成的焦耳熱增多，使器件溫度上升，因而產(chǎn)生新的氧空位越為明顯，氧空位釋放電子引起溝道中電子濃度增大，從而導(dǎo)致遷移率隨應(yīng)力時(shí)間增加而有所增大，因此引起器件的開(kāi)態(tài)電流增加。

4 結(jié) 論

本文采用射頻磁控濺射法，以天然雞蛋清作為柵介質(zhì)層，以氧化鋅作為有源層，制備得到EDL ZnO-TFT，研究了ZnO-TFT在柵、漏偏壓應(yīng)力下電性能的穩(wěn)定性。該ZnO-TFT器件呈現(xiàn)出良好的電學(xué)性能，載流子飽和遷移率為5.99 cm2/(V·s)，閾值電壓為2.18 V，亞閾值擺幅為0.57 V/dec，開(kāi)關(guān)電流比約為1.2×105，工作電壓低于3 V。由于采用了天然雞蛋清電解質(zhì)作為器件的柵介質(zhì)層，在溝道與柵介質(zhì)界面處形成雙電層效應(yīng)，從而有效降低了器件的工作電壓。通過(guò)對(duì)EDL ZnO-TFT器件在偏壓應(yīng)力效應(yīng)的測(cè)試與分析，發(fā)現(xiàn)該器件存在一定的偏壓應(yīng)力不穩(wěn)定性。其中，較大的柵偏壓應(yīng)力作用下主要表現(xiàn)為閾值電壓向負(fù)柵壓方向移動(dòng)，遷移率有所減小，亞閾值擺幅增大，關(guān)態(tài)電流先增加后減小；較大的漏偏壓應(yīng)力作用下表現(xiàn)為遷移率增加，關(guān)態(tài)電流減小，閾值電壓向負(fù)柵壓移動(dòng)。

本文專家審稿意見(jiàn)及作者回復(fù)內(nèi)容的下載地址：http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20210324.