低溫下蛋白質(zhì)基底薄膜晶體管的制備

張含悅，王 超，楊 帆，王艷杰，劉芙男

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

當(dāng)前,電子設(shè)備對(duì)人們的生活產(chǎn)生了巨大的影響,其廣泛應(yīng)用于娛樂、通信、教育以及醫(yī)療[1]等各個(gè)領(lǐng)域.隨著科技的進(jìn)步、生活水平的提高,人們對(duì)電子器件的需求不斷增加,導(dǎo)致電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代不斷加速,而傳統(tǒng)的電子器件通常不可降解而且穩(wěn)定,當(dāng)電子產(chǎn)品出現(xiàn)損壞或被淘汰時(shí),便會(huì)產(chǎn)生大量的電子垃圾.目前,保守估計(jì)每年會(huì)產(chǎn)生約5 000萬(wàn)t的電子垃圾[2-3],這個(gè)數(shù)字還會(huì)繼續(xù)增大,這將對(duì)人類的生存環(huán)境造成嚴(yán)重的危害.因此,一種對(duì)環(huán)境無(wú)毒、無(wú)害、可生物降解的新型電子產(chǎn)品的制備有著非常重要的意義.

氧化鋅俗稱“鋅白”,可溶于酸和強(qiáng)堿,難溶于水.氧化鋅是II-IV族寬禁帶半導(dǎo)體材料,屬于n型氧化物半導(dǎo)體,常溫下禁帶寬度為3.3 eV,具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu).由于氧化鋅中氧空位、間隙鋅的形成能較低,使其表現(xiàn)出弱n型導(dǎo)電[4].研究表明，摻雜可以提高氧化鋅的電學(xué)特性[5],常見的摻雜元素有鋁、鎵、銦等.鋁摻雜氧化鋅(AZO)因其來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、電學(xué)特性優(yōu)異、無(wú)毒可降解等特點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注.結(jié)合AZO材料的優(yōu)點(diǎn),將其使用在生物襯底[6]上(絲素蛋白膜、玉米蛋白膜等)制成電子器件,具有取代Si基器件成為下一代薄膜晶體管技術(shù)的可能,同時(shí)在生物醫(yī)學(xué)、綠色電子元件等領(lǐng)域[7-8]具有廣闊的應(yīng)用前景.考慮到玉米蛋白膜制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、易溶于乙醇的水溶液、易降解等特性,本文選擇玉米蛋白膜作為制備薄膜晶體管(TFT)的基底.目前，AZO薄膜材料常采用物理和化學(xué)方法制備.常用的物理方法有:射頻磁控濺射[9-10](Magnetron sputtering)、原子層沉積[11-12](ALD,atomic layer deposition)、脈沖激光沉積[13](PLD,Pulse laser deposition);常用的化學(xué)方法有:化學(xué)氣相沉積(CVD)溶液法[14-15]等.本文主要采用射頻磁控濺射技術(shù)[16-17]和電子束蒸鍍的方法,在玉米蛋白膜基底上制備鋁摻雜氧化鋅薄膜晶體管(AZO-TFT).通過改變沉積的工藝參數(shù)來(lái)優(yōu)化AZO薄膜表面的平整度和AZO-TFT的電學(xué)性能,并進(jìn)一步揭示工藝參數(shù)對(duì)AZO-TFT電學(xué)性能的影響規(guī)律.結(jié)果表明，磁控濺射的氬氧比為80∶20時(shí),AZO薄膜處于非晶狀態(tài),且表面的粗糙度較小,其值RMS=1.867 nm;同時(shí)AZO-TFT器件的電學(xué)性能也較優(yōu),其電學(xué)參數(shù)分別為亞閾值擺幅為2.64 V/decade,閾值電壓為1.2 V,開關(guān)電流比為4.08×103.

1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)是基于玉米蛋白膜基底上AZO薄膜和AZO-TFT的研究,實(shí)驗(yàn)部分主要分為兩大步驟:一是玉米蛋白膜基底的制備;二是玉米蛋白膜基底上TFT器件的制備.

1.1 玉米蛋白膜基底的制備

本實(shí)驗(yàn)采用滴涂的方式將玉米蛋白溶液均勻地覆蓋在載玻片表面并充分干燥.首先,準(zhǔn)備1.5 cm×1.5 cm的載玻片,對(duì)其進(jìn)行清洗、烘干備用;其次,將乙醇、去離子水和玉米蛋白按照3∶1∶1的比例混合于燒杯中,利用磁力攪拌子在75°C恒溫油浴鍋中充分?jǐn)嚢?直至玉米蛋白完全溶解;最后,待玉米蛋白溶液恢復(fù)至室溫時(shí),利用滴管將其滴涂在準(zhǔn)備好的載玻片上,靜置于超凈實(shí)驗(yàn)室室溫環(huán)境下自然干燥,便得到表面平整,厚度均勻的玉米蛋白膜基底.

1.2 器件制備

TFT是一個(gè)三端有源器件,一般由源極(S)、漏極(D)、有源層、絕緣層、柵極(G)和基底等構(gòu)成,本研究在玉米蛋白膜基底上制備底柵型AZO-TFT,其結(jié)構(gòu)如圖1所示.具體的制備流程如圖2所示.

圖1 AZO-TFT結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure diagram of AzO-TFT

圖2 AZO-TFT制備流程Fig.2 The flow chart of AZO-TFT preparation

(1) 柵極制備. 利用電子束蒸發(fā)(EB,electron beam evaporation)設(shè)備在玉米蛋白膜上沉積厚度為150 nm的Al柵極;

(2) Ta2O5絕緣層制備. 該步驟選用的Ta2O5靶材的純度為99.99 %，采用磁控濺射設(shè)備(美國(guó)Kurt.J.Lesker,PVD75型號(hào))在 (1) 的基礎(chǔ)上沉積Ta2O5絕緣層,其中沉積的工藝參數(shù)分別為:濺射功率為100 W,沉積時(shí)間為1.5 h,氬氧比為90∶10,沉積壓強(qiáng)為8 mtorr;

(3) AZO有源層制備. 該步驟選用純度99.99 %的ZnO靶材和純度99.99 %的Al靶材，采用射頻磁控共濺射技術(shù),在 (2) 的基礎(chǔ)上進(jìn)一步沉積AZO有源層,沉積過程中采用有源層掩模板覆蓋于樣品之上,以形成有源層圖形.其中沉積的工藝參數(shù)設(shè)定如下:ZnO濺射功率為100 W,Al的濺射功率為15 W,沉積時(shí)間為15 min,沉積壓強(qiáng)為8 mtorr,氬氧比分別為85∶15,80∶20,75∶15;

(4) 源/漏電極的制備. 源/漏電極的制備與絕緣柵極的制備類似,將帶有源/漏電極圖案的掩模板覆蓋于有源層上,利用EB設(shè)備在有源層上沉積Al電極.沉積厚度為150 nm的Al源、漏極.

以上為AZO-TFT器件制備的整個(gè)流程,值得注意的是由于玉米醇溶蛋白不能通過傳統(tǒng)的顯影步驟進(jìn)行圖案化,因此,以上實(shí)驗(yàn)步驟均使用掩膜版在膜的制備過程中進(jìn)行圖案化,如圖2所示.

2 結(jié)果與討論

2.1 電學(xué)性能分析

圖3 AZO-TFT轉(zhuǎn)移特性曲線 (源/漏電流IDS-柵電壓VGS)曲線Fig.3 Transfer characteristic (drain-source current IDS-gate voltage VGS)curves of AZO-TFT

圖3為不同氬氧比條件下玉米蛋白膜基底的AZO

-TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線(圖中VGS為柵極電壓,IDS為源/漏電流).柵極電壓VGS的變化范圍為-10 V～10 V.

從圖3中可以看出,玉米蛋白膜基底的AZO-TFT在3種氬氧比環(huán)境下均表現(xiàn)出良好的柵電壓調(diào)制作用和飽和特性,同時(shí)在較低的柵電壓區(qū)域沒有電流擁擠的現(xiàn)象.其結(jié)果表明，源/漏電極與有源層之間形成了良好的歐姆接觸.隨著正向柵極電壓的增大,源/漏電流也逐漸增大.由此可知，3種氬氧比環(huán)境下AZO-TFT器件的有源層溝道都是n-型.

從圖3中還可以看出,不同氧分壓對(duì)AZO-TFT器件性能有著重要的影響作用.從其轉(zhuǎn)移特性曲線可以提取出衡量薄膜晶體管器件性能好壞的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù),即開關(guān)電流比(Ion/off),閾值電壓(Vth),亞閾值擺幅(SS),具體如下:

(1)Ion/off∶Ion/off是衡量器件對(duì)電流的開關(guān)控制能力,Ion/off值越高代表器件性能越優(yōu)異.定義為在固定的源/漏電壓(VDS)下,開態(tài)電流與關(guān)態(tài)電流的比值,即圖中IDS最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的比值.隨著氧分壓的提高,AZO-TFT器件的Ion/off有明顯的提高,而當(dāng)氧分壓達(dá)到25 %時(shí),AZO-TFT器件的Ion/off明顯降低.這是因?yàn)橥ㄈ胙鯕庠龆?填補(bǔ)了部分氧空位的缺陷,使薄膜中載流子的散射能力減弱,載流子的濃度增大,進(jìn)而提高了AZO-TFT器件的Ion/off;但繼續(xù)增加氧氣含量,薄膜中的氧空位過少,氧空位提供的自由電荷載流子減少,導(dǎo)致有源層載流子濃度降低,而使AZO-TFT器件的Ion/off降低.表1中分別列出了3種氬氧比環(huán)境下AZO-TFT器件的Ion/off,當(dāng)Ar∶O2=80∶20時(shí),Ion/off可達(dá)4.08×103.

(2)Vth∶Vth是TFT產(chǎn)生導(dǎo)電溝道時(shí)的柵極電壓,Vth值越小代表器件性能越優(yōu)異.通過Vth的正負(fù)可以直觀判斷TFT器件屬于增強(qiáng)型器件還是耗盡型器件.對(duì)于n-型TFT來(lái)說,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.TFT閾值電壓的提取方法有多種,本文利用轉(zhuǎn)移特性曲線,即圖中IDS1/2-VGS曲線提取.表1中分別列出了3種氬氧比環(huán)境下AZO-TFT器件的Vth,其中Ar∶O2=80∶20時(shí),Vth為1.2 V.

(3)SS是反映TFT器件的開啟速度,SS越小表明TFT的功耗越小.SS數(shù)值上等于為使IDS變化一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)需要的最小柵極電壓的增量(ΔVGS).其定義為：

(1)

隨著氧分壓的增大,被束縛的自由電荷數(shù)量減少,使得在增加?xùn)艍簳r(shí)電流增速相對(duì)加快,SS減小;當(dāng)氧分壓達(dá)到25 %時(shí),由于載流子濃度降低,自由電荷的總數(shù)急劇減少,因而繼續(xù)增加?xùn)艍簳r(shí),電流增速比較慢,導(dǎo)致SS又逐漸增大.這一變化規(guī)律與該器件的Ion/off變化規(guī)律一致.表1中分別列出了3種氬氧比環(huán)境下AZO-TFT器件的SS,其中Ar∶O2=80∶20時(shí),SS為2.64.

表1 AZO-TFT性能參數(shù)Table 1 Electrical properties of AZO-TFT

2.2 表面形貌分析

2.2.1 原子力顯微鏡分析

(1) 絕緣層薄膜表征. 圖4是玉米蛋白膜基底上Ta2O5絕緣層薄膜的原子力顯微鏡(AFM)相圖.從圖4中可以看出,Ta2O5薄膜的表面平整度較好,薄膜的均方根粗糙度為938.450 pm.

圖4 玉米蛋白膜基底上Ta2O5薄膜的AFM相圖Fig.4 AFM photos of Ta2O5 films deposited on zein films

(2) 有源層薄膜表征. 圖5、圖6、圖7分別為玉米蛋白膜基底上AZO有源層薄膜的原子力顯微鏡(AFM)相圖.本文利用射頻磁控濺射技術(shù),通過改變氧分壓的方式優(yōu)化AZO薄膜表面的平整度.氬氧比分別設(shè)置為85∶15,80∶20和75∶25,其獲得AZO薄膜的粗糙度分別為1.971 nm,1.867 nm,2.272 nm.

根據(jù)不同氬氧比下AZO薄膜的粗糙度可知,在沉積過程中,氧氣的含量對(duì)AZO薄膜表面的平整度的影響較大.隨著氧氣通入量的增多,更多的氧空位被填補(bǔ),其薄膜表面也變得更加平整,而氧氣通入量繼續(xù)增多,過剩的氧氣并沒有優(yōu)化其薄膜因氧空位引起的缺陷,導(dǎo)致AZO薄膜粗糙度增大,進(jìn)而導(dǎo)致有源層載流子濃度降低,這與前面分析的Ion/off的結(jié)論一致.

通過優(yōu)化沉積工藝參數(shù)得到當(dāng)氬氧比為80∶20時(shí),薄膜表面的粗糙度最小.

圖5 氬氧比為85∶15時(shí)玉米蛋白膜基底上AZO薄膜的AFM相圖Fig.5 AFM photos of AZO thin films on zein films at argon-oxygen ratio of 85∶15

圖6 氬氧比為80∶20時(shí)玉米蛋白膜基底上AZO薄膜的AFM相圖Fig.6 AFM photos of AZO thin films on zein films at argon-oxygen ratio of 80∶20

圖7 氬氧比為75∶25時(shí)玉米蛋白膜基底上AZO薄膜的AFM相圖Fig.7 AFM photos of AZO thin films on zein films at argon-oxygen ratio of 75∶25

2.2.2 XRD分析

圖8給出了分別在玉米蛋白膜基底上沉積AZO薄膜(a)，Ta2O5薄(b)的XRD衍射圖.從圖8中沒有觀察到AZO薄膜、Ta2O5薄膜的明顯衍射峰,AZO薄膜衍射峰不明顯的原因可能是沉積時(shí)間較短且薄膜較薄，而Ta2O5薄膜為非晶結(jié)構(gòu),故觀察不到明顯的衍射峰.

圖8 玉米蛋白膜基底上(a)AZO薄膜XRD圖和(b)Ta2O5薄膜XRD圖Fig.8 (a)XRD images of AZO films on zeinfilms;(b)XRD images of Ta2O5 films on zein films

3 結(jié)論

本文利用射頻磁控濺射技術(shù)在玉米蛋白膜基底上沉積AZO薄膜,并成功制備了低溫可降解的AZO-TFT器件.通過優(yōu)化沉積工藝參數(shù),得到磁控濺射的氬氧比為80∶20時(shí)AZO有源層薄膜表面的粗糙度最小,其值RMS=1.867 nm;在此條件下制備的AZO-TFT器件屬于n-溝道增強(qiáng)型器件,表現(xiàn)出良好的飽和特性.同時(shí)該條件下的AZO-TFT的電學(xué)性能也最優(yōu),其亞閾值擺幅為2.64 V/decade,閾值電壓為1.2 V,開關(guān)電流比可達(dá)4.08×103,為下一代新型生物可降解薄膜晶體管技術(shù)奠定了良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).