In2O3透明薄膜晶體管的制備及其電學性能的研究*

徐天寧吳惠楨張瑩瑩王雄朱夏明原子健

1)(浙江大學物理系，現(xiàn)代光學儀器國家重點實驗室，杭州310027)

2)(浙江工業(yè)大學之江學院理學系，杭州310024)

(2009年7月24日收到;2009年11月12日收到修改稿)

In2O3透明薄膜晶體管的制備及其電學性能的研究*

徐天寧1)2)吳惠楨1)?張瑩瑩1)王雄1)朱夏明1)原子健1)

1)(浙江大學物理系，現(xiàn)代光學儀器國家重點實驗室，杭州310027)

2)(浙江工業(yè)大學之江學院理學系，杭州310024)

(2009年7月24日收到;2009年11月12日收到修改稿)

采用磁控濺射方法在玻璃襯底上生長了In2O3晶體薄膜.該薄膜具有(111)晶面擇優(yōu)取向，晶粒尺寸達到33nm.利用光刻工藝制作了以In2O3晶體薄膜為溝道層的底柵式薄膜晶體管.In2O3薄膜晶體管具有良好的柵壓調(diào)制特性，場效應遷移率達到6.3cm2/(V·s)，開關電流比為3×103，閾值電壓為－0.9 V.結果表明，In2O3薄膜晶體管在新型平板顯示領域具有潛在的應用前景.

In2O3晶體薄膜，磁控濺射，薄膜晶體管，場效應遷移率

PACC:7360，7360F，7360L

1. 引言

近年來，氧化物薄膜晶體管(TFT)因具有高的遷移率、可見光區(qū)透明和可低溫制備等特點而受到人們的廣泛關注.高遷移率意味著大的溝道電流和高的開關速度，可以用來驅(qū)動有源矩陣有機發(fā)光二極管顯示器件(AMOLED)［1］.可見光區(qū)透明可以提高TFT器件的開口率，降低功率消耗.低溫制備工藝使得氧化物TFT可以與柔性襯底相匹配，這對發(fā)展新型大面積顯示器件而言，是十分有利的［2］.目前，用作TFT溝道層材料的氧化物主要以ZnO及其三元系(ZnSnO，InZnO)和四元系(InGaZnO)化合物為主［3—9］.由于ZnO薄膜通常存在氧空位和鋅填隙等缺陷，使得室溫條件下很難生長出高結晶質(zhì)量和低載流子濃度的ZnO薄膜，這直接影響了ZnO TFT的性能的提高.國內(nèi)少數(shù)幾個課題組報道了ZnO TFT器件的研制結果，場效應遷移率最高僅為2.7cm2/(V·s)［3—5］.

最近，Wang等［10］報道了場效應遷移率高達～140cm2/(V·s)的In2O3TFT，這使得In2O3在TFT方面的應用開始成為人們關注的熱點［11—13］. In2O3是一種寬帶隙(3.6—3.75 eV)半導體材料，具有高的可見光透過率(大于80%)和高的單晶體遷移率(160cm2/(V·s)).這些特點使得In2O3在制作高性能TFT方面具有潛在優(yōu)勢.但是在國內(nèi)方面，據(jù)我們所知還未見報道有關In2O3溝道的TFT器件研制方面的工作.另外，Wang等［10］獲得的高性能In2O3TFT是基于離子輔助沉積(IAD)技術和有機物作為柵絕緣層材料.離子輔助沉積技術使得TFT制作成本較為昂貴，而有機物與In2O3界面黏合的熱穩(wěn)定性還不明確.而且，他們制作的TFT溝道寬度為5mm，遠大于實際應用的TFT尺寸.這些因素都影響了In2O3TFT的實用性.因此，要使In2O3TFT將來在顯示領域發(fā)揮作用，還需開展更多的研究.

針對國內(nèi)在In2O3薄膜晶體管器件研制的空白，我們利用磁控濺射技術在玻璃襯底上生長了In2O3晶體薄膜，對薄膜的晶體結構、表面形貌、光學性質(zhì)和電學性質(zhì)進行了研究.并采用光刻技術制作了In2O3為溝道層，SiNx為柵絕緣層的底柵式TFT結構，獲得柵壓調(diào)制性能較好的TFT器件.研究結果表明，在類似的制作工藝下，In2O3比ZnO更容易制作出高性能的TFT.

2. 實驗

In2O3晶體薄膜通過磁控濺射方法在室溫條件下沉積在玻璃和白寶石襯底上.生長室的本底氣壓小于6×10－5Pa，濺射生長采用的靶源為高純In2O3陶瓷靶(99.99%)，濺射氣體為高純Ar氣(99.999%)，氣流大小為7 sccm，濺射功率為100 W.玻璃和白寶石襯底的清洗步驟是:去離子水超聲波清洗三次，玻璃在Na2CO3溶液中80℃水浴15 min，然后在濃度3%—5%的醋酸溶液中浸泡30 s，而白寶石在濃硫酸∶濃磷酸=3∶1溶液中80℃水浴15 min(每一步后均用去離子水反復沖洗)，最后用高純氮氣吹干后放入磁控濺射設備.In2O3晶體薄膜的晶體結構和結晶質(zhì)量通過D/max-rA轉靶多晶X射線衍射儀(XRD)進行表征，射線為Cu Kα1線(λ =1.5406).表面形貌通過日本精工公司生產(chǎn)的型號為SPI3800N的原子力顯微鏡(AFM)進行測量.光學透過率通過日本島津公司生產(chǎn)的UV-3150型紫外可見分光光度計進行測量，波長范圍為200—800nm.電學性質(zhì)如載流子濃度和遷移率通過霍爾測試儀(美國BIO-RAD公司生產(chǎn)的HL5500霍爾效應測量系統(tǒng))和van der Pauw法進行測量.

In2O3薄膜晶體管(TFT)的制作步驟如下:首先在玻璃上鍍一層60nm厚的銦錫氧化物(ITO)用作柵電極;然后用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)法蒸鍍SiNx作為絕緣層，其厚度為200nm;隨后用磁控濺射生長20—70nm厚的In2O3晶體薄膜作為溝道層;最后熱蒸發(fā)一層鋁作為源漏電極，厚度約為100—200nm.TFT器件利用通用光刻工藝使得溝道層和電極圖案化，溝道的長度有三種，分別為10，25和50μm，溝道的寬度為200μm.底柵式In2O3TFT結構的截面示意圖如圖1(a)所示，TFT的實物顯微照片如圖1(b)所示.TFT的性能如輸出特性和轉移特性曲線由Keithley 2612 A半導體參數(shù)儀測試得到.

圖1 In2O3薄膜晶體管的截面示意圖和實物顯微照片(a)截面示意圖，(b)實物顯微照片

3. 結果和討論

3.1. In2O3晶體薄膜

In2O3晶體薄膜的結晶質(zhì)量和表面形貌直接影響TFT的性能.圖2是室溫條件下在ITO覆蓋的玻璃表面磁控濺射生長的In2O3晶體薄膜的AFM表面形貌圖.由圖2可知薄膜表面分布著尺寸均勻的In2O3結晶島狀結構(平均高度約12nm)，表面均方根粗糙度為2.4nm，與文獻［10］報道的相同襯底上生長的In2O3薄膜的表面均方根粗糙度為2.1nm相接近.這說明我們生長的In2O3晶體薄膜是均勻、致密和平整的.作為TFT的溝道層，較小的表面粗糙度有助于改善器件的電學性能，有效降低表面缺陷對電荷的俘獲和散射［14］.

圖3是In2O3晶體薄膜的XRD圖.薄膜的厚度為400nm.由圖3可知，In2O3薄膜為多晶薄膜，主衍射峰位于30.48°，對應于(222)晶面取向.這不同于Wang等［10］報道Si(200)基底上生長的In2O3薄膜的晶體取向.這是由于襯底材料和生長技術的差異引起的.該(222)衍射峰的半峰寬僅為0.27°.這說明In2O3晶體薄膜是沿(111)晶面擇優(yōu)取向生長的.根據(jù)Scherrer公式［11］

圖2 In2O3晶體薄膜的表面形貌AFM圖

圖3 In2O3晶體薄膜的XRD圖

其中，D為平均晶粒尺寸，K為常數(shù)，數(shù)值大小為0.95—0.98，λ為X射線的入射波長，B為半峰寬，θ為布拉格衍射角，估算出In2O3晶體薄膜的平均晶粒尺寸為33nm.窄的半峰寬說明In2O3晶體薄膜的晶粒尺寸分布較均勻，這與AFM觀察到的結果是一致的.

由于玻璃對紫外光有很強的吸收，不利于獲得In2O3晶體薄膜的光學帶隙等信息.因此，我們在白寶石襯底上用相同的生長條件生長In2O3薄膜樣品，進行透射率測試.通過對透射譜分析可知，In2O3晶體薄膜在可見光波段具有良好的透過率，平均透過率達到90%.同時，In2O3晶體薄膜在紫外光區(qū)存在陡峭的吸收邊.為獲得In2O3晶體薄膜的光學帶隙，我們繪制(αω)2∝ω曲線，其中，α為吸收系數(shù)，ω為光子能量.通過對(αω)2∝ω曲線的線性部分外推到α=0處，得到In2O3晶體薄膜的光學帶隙數(shù)值為Eg=3.68 eV.Ar氣氛下室溫生長的In2O3晶體薄膜的電學性質(zhì)通過霍爾測試儀測量得到:電阻率為1.12 Ω·cm，電子濃度為2.0×1018cm－3，霍爾遷移率為9.6cm2/(V·s).該遷移率比文獻［10］報道的結果要低，可能的原因是國產(chǎn)的In2O3靶材的實際純度達不到99.99%，這是因為高純In2O3粉末(99.99%)在壓制、燒結成靶的工藝過程容易受到污染，因而薄膜中存在較多雜質(zhì)散射中心.另一方面，與氧氣氛下IAD技術生長的In2O3相比，純Ar氣下生長的In2O3薄膜可能存在較高密度的氧空位缺陷.這些因素降低了In2O3薄膜中載流子的遷移率.

3.2. In2O3薄膜晶體管

通過對三種溝道長度的In2O3TFT的電學性能進行測試，發(fā)現(xiàn)25μm溝道長度的TFT具有較好的柵壓調(diào)制特性和較高的場效應遷移率，因此只給出該溝道長度的In2O3TFT的測試結果.圖4是In2O3TFT的輸出特性曲線.由圖4可知，該TFT在0 V柵壓(VGS=0)時導通，而加負柵壓時溝道層截斷，并且正柵壓越大源漏電流(ID)也越大，說明In2O3TFT工作于n型耗盡模式.同時由圖4可以看出，In2O3TFT具有較好的柵壓調(diào)制特性和飽和特性.

圖4 In2O3薄膜晶體管的輸出特性曲線

圖5是In2O3TFT的非飽和區(qū)(源漏電壓VDS= 3 V)和飽和區(qū)(VDS=18 V)的轉移特性曲線.VGS測量范圍從－15 V到25 V.開關電流比為3×103，關態(tài)電流為2.6×10－7A.較高的關態(tài)電流造成較低的開關電流比.這與我們生長的In2O3晶體薄膜具有較高的載流子濃度有關.飽和狀態(tài)下溝道中載流子場效應遷移率(μEF)和閾值電壓(VTH)的計算是通過線性擬合飽和區(qū)的∝VGS曲線，并根據(jù)飽和區(qū)的表達式［2］

圖5 In2O3薄膜晶體管的轉移特性曲線

其中，W是溝道寬度，L是溝道長度，CSiNx是SiNx柵絕緣層的單位面積電容(約33 nF·cm－2)，計算出μEF=6.3cm2/(V·s)，VTH=－0.9 V.這些TFT的性能參數(shù)已經(jīng)明顯優(yōu)于α-Si TFT，也比國內(nèi)研制的ZnO TFT的性能高得多［3—5］.但是這一結果與文獻［10］報道的結果存在差距.主要原因是文獻［10］中用作溝道層的In2O3薄膜載流子濃度僅為1013—1014cm－3，遠低于我們生長的In2O3薄膜的載流子濃度(2.0×1018cm－3).低的載流子濃度說明薄膜中雜質(zhì)散射中心少，有利于提高載流子的遷移率.另外，有機物作為絕緣層雖然熱穩(wěn)定性方面還有待研究，但其絕緣性和電容率都優(yōu)于傳統(tǒng)的SiO2和SiNx，這些特點也有助于提高TFT的性能.因此，通過與文獻［10］報道的結果的比較和分析可知，要提高以磁控濺射法制備In2O3薄膜為溝道層的TFT的性能，還需開展更多的研究工作，如選擇更高純度的In2O3靶材和進一步優(yōu)化生長條件來提高In2O3薄膜的表面平整度和降低載流子濃度等.

4. 結論

利用磁控濺射方法在玻璃襯底上室溫生長出(111)擇優(yōu)取向的In2O3晶體薄膜.薄膜具有小的表面粗糙度(均方根粗糙度為2.4nm)和高的結晶質(zhì)量((222)衍射峰的半高全寬為0.27°).利用In2O3晶體薄膜作為溝道層，SiNx作為柵絕緣層，成功制作出具有良好柵壓調(diào)制特性的TFT.In2O3TFT的場效應遷移率達到6.3cm2/(V·s)，閾值電壓為－0.9 V，開關電流比為3×103.這些結果已經(jīng)優(yōu)于α-Si TFT的性能參數(shù)，而且也優(yōu)于類似工藝條件下制備的ZnO TFT器件的性能參數(shù).

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PACC:7360，7360F，7360L

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.60676003)and the Natural Science Foundation of Zhejiang Province，China(Grant No.Z406092).

?Corresponding author.E-mail:hzwu@zju.edu.cn

Fabrication and performance of indium oxide based transparent thin film transistors*

Xu Tian-Ning1)2)Wu Hui-Zhen1)?Zhang Ying-Ying1)Wang Xiong1)Zhu Xia-Ming1)Yuan Zi-Jian1)
1)(State Key Laboratory for Modern Optical Instruments，Department of Physics，Zhejiang University，Hangzhou310027，China)
2)(Department of Science，Zhijiang College of Zhejiang University of Technology，Hangzhou310024，China)
(Received 24 July 2009;revised manuscript received 12 November 2009)

Indium oxide thin film was deposited on glass substrate by radio frequency magnetron sputtering at room temperature. The In2O3film was polycrystalline with a preferred(111)orientation and a grain size of 33nm was estimated.The bottomgate staggered thin film transistors(TFTs)were fabricated by standard photolithography，with In2O3as active channel layers.The In2O3TFTs exhibit good gate bias controlling characteristic with a field effect mobility of 6.3cm2/V·s，an on-off current ratio of 3×103，and a threshold voltage of－0.9 V.Device performance and room temperature fabrication technology make In2O3TFTs promising for display panel applications.

indium oxide film，magnetron sputtering，thin-film transisitors，field effect mobility

book=305,ebook=305

*國家自然科學基金(批準號:60676003)和浙江省自然科學基金(批準號:Z406092)資助的課題.

?通訊聯(lián)系人.E-mail:hzwu@zju.edu.cn