Mo的濺射功率對MoZnO薄膜晶體管性能的影響

付 鈺，高曉紅，孟 冰，王 森，孫玉軒

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

0 引言

薄膜晶體管(TFT)作為平板顯示領(lǐng)域的主要開關(guān)器件之一.TFT的有源層材料對其性能的影響舉足輕重,在其歷史演變中主要有硅基TFT[1]、有機(jī)TFT[2]和金屬氧化物TFT[3]等幾種.而氧化鋅(ZnO)是一種可以應(yīng)用于光電子學(xué)領(lǐng)域的潛在有源層材料,尤其是可應(yīng)用于光伏器件、氣體傳感器和薄膜晶體管等領(lǐng)域.它具有無毒,較寬的光學(xué)帶隙和較高的光學(xué)透過率等優(yōu)點.也由于這些優(yōu)越的特性,近年來人們通過摻雜的手段研究了在氧化鋅薄膜中摻雜如鋁(Al)、銅(Cu)、鎵(Ga)、鉬(Mo)、鈦(Ti)等金屬,來改善ZnO薄膜晶體管的電學(xué)性能并使其可以應(yīng)用于光電探測領(lǐng)域[4].然而某些金屬成本較高或者對人體有害,為了解決這些問題,有些學(xué)者發(fā)現(xiàn)在ZnO中摻雜Mo以實現(xiàn)更高的性能.如Zhao等[5]人采用磁控濺射技術(shù)制備了Mo摻雜IZO TFT,發(fā)現(xiàn)當(dāng)Mo的含量為2.9 %時，場效應(yīng)遷移率為2.62 cm2/Vs,電流開關(guān)比為106.Peng等[6]人通過磁控濺射技術(shù)制備的Mo摻雜ZTO TFT,發(fā)現(xiàn)了當(dāng)Mo的含量為3 %時,場效應(yīng)遷移率達(dá)到了26.53 cm2/Vs,電流開關(guān)比達(dá)到了106,都得出了Mo的摻雜可以減少溝道層中的氧空位,Mo作為摻雜劑可以抑制載流子從而降低了關(guān)態(tài)電流的結(jié)論.目前,有關(guān)MoZnO TFTs的研究相對較少,更多的是有關(guān)MoZnO導(dǎo)電薄膜的研究發(fā)現(xiàn)Mo摻雜到ZnO中的優(yōu)勢在于Mo的離子半徑約為0.62?(Mo6+)、0.66?(Mo4+)略小于0.74?(Zn2+),使鉬離子替代鋅離子存在可能性;具有較高熱穩(wěn)定性的Mo在摻雜后也可使MoZnO薄膜的熱穩(wěn)定性得到進(jìn)一步的增強(qiáng);此外,因為與Zn2+相比較高的價態(tài)差,可以提供較多的載流子來減少離子散射效應(yīng)[7].在本工作中,利用磁控濺射的方法制備了MoZnO TFTs,測試了器件的電學(xué)性能.為了進(jìn)一步了解其光電特性,進(jìn)行了多個光周期下的動態(tài)響應(yīng)測試.

1 實驗方法

本研究是在p-Si片上制備的MoZnO TFT器件,在襯底與有源層之間還有一層100 nm厚的SiO2作柵絕緣層.制備工藝主要分為3個步驟.步驟如下:

(1) 用磁控濺射的方法分別沉積了ZnO薄膜和Mo的濺射功率分別為3 W,6 W,9 W的MoZnO薄膜作為有源層,厚度為50 nm.磁控濺射的參數(shù)設(shè)置為:氧氬比為75:25,壓強(qiáng)為12 mTorr,ZnO的濺射功率為150 W.

(2) 使用光刻機(jī)對生長好的薄膜曝光,再進(jìn)行顯影,對樣品進(jìn)行圖案化.

(3) 通過電子束蒸發(fā)(E-Beam)的方法在生長上金屬Al的源漏電極,厚度設(shè)置為50 nm,然后剝離即可得到薄膜晶體管器件.

在室溫下測試ZnO TFT和MoZnO TFTs的電學(xué)性能及多個光周期下的動態(tài)響應(yīng)(入射光波長為365 nm).

2 結(jié)果與討論

圖1為ZnO TFT和濺射功率為3 W,6 W,9 W的MoZnO TFTs的轉(zhuǎn)移特性曲線.ZnO TFT和MoZnO TFTs的主要電學(xué)參數(shù)見表1.其中,閾值電壓和場效應(yīng)遷移率是在IDS1/2和VGS線性外推中提取出來的[8].由圖可以發(fā)現(xiàn),ZnO TFT和濺射功率為3 W,6 W,9 W的MoZnO TFTs的開態(tài)電流分別為8.52×10-6A,1.99×10-4A,2.23×10-6A,1.06×10-6A.當(dāng)Mo摻雜到ZnO中時,器件的開態(tài)電流提高了將近2個數(shù)量級,但隨著濺射功率的增強(qiáng),開態(tài)電流又回降至10-6.不同條件下的關(guān)態(tài)電流分別為9.91×10-11A,5.89×10-12A,3.26×10-11A,3.61×10-11A,說明Mo摻雜到ZnO中后,關(guān)態(tài)電流先降低再升高.這意味著Mo的濺射功率為3 W時制備的薄膜晶體管器件具有較強(qiáng)的驅(qū)動能力且能耗較低.電流開關(guān)比隨著Mo濺射功率的增長呈現(xiàn)先增加再降低的趨勢,在Mo的濺射功率超過3W后,電流開關(guān)比明顯降低.MoZnO TFTs的閾值電壓在Mo摻雜到ZnO中后從負(fù)值提高到了正值.亞閾值擺幅在摻雜后先呈下降趨勢,在Mo濺射功率升高后,又呈上升趨勢.載流子遷移率隨著Mo濺射功率的增強(qiáng)從0.546 cm2/Vs升高到了2.78 cm2/Vs再降至0.201 cm2/Vs,載流子遷移率的提高是由于Mo6+和Mo4+取代Zn2+時,可以提供更多的自由電子作為載流子在溝道中流通[9].此外,在MoZnO薄膜中引入Mo元素還可以有效抑制有源層中的氧空位.但隨著Mo濺射功率的進(jìn)一步增大,存在于間隙位中的Mo6+和Mo5+數(shù)量增加形成缺陷,不僅不能提供載流子,還會使電活性Mo的數(shù)量減少,從而使電學(xué)性能變差[10].在綜合比較下發(fā)現(xiàn)當(dāng)Mo的摻雜功率為3 W時,器件的電學(xué)性能最優(yōu),場效應(yīng)遷移率為2.78 cm2/Vs,電流開關(guān)比為107.閾值電壓為16 V,亞閾值擺幅約為1.5 V/decade,較小的亞閾值擺幅意味著該器件在開啟之后源漏電流上升得更快,陷阱密度較小.

圖1 不同Mo濺射功率條件下的MoZnO TFTs的轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.1 The transfer characteristic curves of MoZnO TFTsunder different Mo sputtering powers

表1 ZnO TFT和MoZnO TFTs電學(xué)性能參數(shù)Table 1 Electrical performance parameters of MoZnO TFTs

圖2中(a),(b),(c),(d)分別是ZnO TFT和濺射功率為3 W,6 W,9 W時MoZnO TFTs的輸出特性曲線.通過觀察發(fā)現(xiàn)在輸出特性曲線中,源漏電流(IDS)的數(shù)值隨著源漏電壓(VDS)的升高而增大并最終趨于飽和;而且在不同的柵極電壓(VGS)下,其飽和電流的大小也有所不同.說明MoZnO TFTs的導(dǎo)電類型為n型,并且為增強(qiáng)型TFT器件.此外,由其輸出特性曲線表現(xiàn)出明顯的夾斷特性和飽和特性.但在Mo的摻雜功率為6 V和9 V時,可以在圖像中觀察到電流擁擠現(xiàn)象,認(rèn)為是過量摻雜Mo對器件本身的歐姆接觸產(chǎn)生了影響.而濺射功率為0 W和3 W時的器件性能表現(xiàn)出了良好的歐姆接觸.綜上所述,在Mo濺射功率為3 W時,器件的輸出性能最好,當(dāng)源漏電壓(VDS)為40V時源漏電流(IDS)為3.63×10-4A.

(a) ZnO

圖3展示了ZnO TFT和Mo濺射功率為3 W時MoZnO TFT在暗態(tài)和365 nm紫外光照條件下的轉(zhuǎn)移特性曲線.Mo濺射功率為0 W和3 W時MoZnO TFT器件的轉(zhuǎn)移特性曲線在365 nm光照的作用下,源漏電流(IDS)發(fā)生明顯提升.通過數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)其關(guān)態(tài)電流分別提高了103和105,開態(tài)電流也都提高了將近1個數(shù)量級.這種現(xiàn)象的發(fā)生是由于MoZnO薄膜中因光電效應(yīng)產(chǎn)生的光生載流子的數(shù)量增加[11].

(a) ZnO

圖4為ZnO TFT和Mo濺射功率為3 W時MoZnO TFTs 多個光照周期下的動態(tài)響應(yīng)曲線.其中圖4(a)與圖4(b)分別為ZnO TFT和MoZnO TFT在柵極電壓(VGS)為-10 V,源漏電壓(VDS)為10 V的條件下用365 nm的單色紫外光對器件進(jìn)行照射,并設(shè)置光照周期為200 s(其中,接通時間和斷開時間均為100 s).在365 nm的光照開啟后發(fā)現(xiàn)ZnO TFT和MoZnO TFT器件都有響應(yīng),但是MoZnO TFT的暗態(tài)電流比ZnO TFT的暗態(tài)電流小,而光電流比ZnO TFT的光電流大,且通過多個光照周期的測試發(fā)現(xiàn)動態(tài)響應(yīng)是連續(xù)且可重復(fù)的.此外,從圖像中觀察到在相同的時間間隔內(nèi),Mo的濺射功率為3 W時制備的器件能夠恢復(fù)到初始電流大小,未摻雜Mo的ZnO器件則需要更長時間才能恢復(fù).為了更好比較其光電性能的優(yōu)異,計算了兩種制備條件下的光響應(yīng)度(photoresponsivity).

(a) ZnO

光響應(yīng)度由以下等式計算:

R=IDS-IdarkPinc

(1)

式中,Idark是TFT在室溫并在暗態(tài)條件下的源、漏電極之間流通的電流,A;IDS是室溫并在365 nm光照條件下的源、漏電極之間流通的電流,A;Pinc是紫外燈入射光的功率,W.

ZnO TFT和MoZnO TFT在365 nm光照條件下,光響應(yīng)度分別為為7.86 A/W,32.09 A/W.MoZnO TFT的光響應(yīng)度得到了明顯的提升.在Mo的濺射功率為3 W時的光響應(yīng)度更高的原因可能是由于此條件下制備MoZnO薄膜表面更加光滑,相比于粗糙的表面光響應(yīng)度得到了提高.這樣的結(jié)果表明365 nm光照對MoZnO TFT的作用更加明顯的原因是Mo元素的摻雜.

3 結(jié)論

利用ZnO靶材和Mo靶材共濺射的方法制備了具有叉指電極結(jié)構(gòu)的MoZnO薄膜晶體管.在對其TFT器件的轉(zhuǎn)移特性、輸出特性和多個光周期下的動態(tài)響應(yīng)分析后.得出結(jié)論如下：

(1) 在Mo的濺射功率為3 W時,MoZnO TFT的電學(xué)性能最優(yōu).主要電學(xué)參數(shù)為:場效應(yīng)遷移率2.78 cm2/Vs,電流開關(guān)比3.38×107,亞閾值擺幅1.5 V/decade.

(2) 此條件下,MoZnO TFT的光響應(yīng)度約為32.09 A/W,高于ZnO TFT的光響應(yīng)度.

(3) 此條件下,MoZnO TFT得到了連續(xù)且可重現(xiàn)的動態(tài)響應(yīng),且暗態(tài)電流低于ZnO TFT的暗態(tài)電流，光電流高于ZnO TFT的光電流.

(4) 這種以MoZnO TFT在通過進(jìn)一步的工藝優(yōu)化之后可以應(yīng)用于光電探測領(lǐng)域.