低溫增強型非晶銦鎵鋅氧薄膜晶體管特性研究

李遠潔,江凱,劉子龍

(1.西安交通大學電子與信息工程學院, 710049, 西安;2.西安交通大學固態照明工程研究中心, 710049, 西安)

?

低溫增強型非晶銦鎵鋅氧薄膜晶體管特性研究

李遠潔1,2,江凱1,2,劉子龍1

(1.西安交通大學電子與信息工程學院, 710049, 西安;2.西安交通大學固態照明工程研究中心, 710049, 西安)

在室溫下利用射頻磁控濺射沉積非晶銦鎵鋅氧化物(a-IGZO)薄膜作為有源溝道層,分別制備了頂柵和底柵結構的薄膜晶體管(a-IGZO-TFTs)原型器件,同時研究了溝道層生長參數及后退火工藝對器件特性的影響。研究及實驗結果表明:當增加底柵結構a-IGZO-TFTs器件IGZO溝道層氧氣流量時,器件輸出特性由耗盡型轉變為增強型;當溝道寬長比為120∶20時,獲得了4.8×105的開關電流比,亞閾值擺幅為1.2 V/dec,飽和遷移率達到11 cm2/(V·s)。溝道層氧氣流量為2 cm3/min的底柵結構a-IGZO-TFT器件在大氣中經過300 ℃退火30 min后,器件由耗盡型轉變為增強型,獲得4×103的開關電流比。

薄膜晶體管;非晶銦鎵鋅氧化物;輸運特性;磁控濺射沉積

未來顯示技術正朝向發展基于可彎曲襯底的柔性透明顯示技術,這要求作為有源顯示關鍵驅動器件的薄膜晶體管(thin film transistor,TFT)中的溝道層具有大面積低溫制備和高可見光透過率的性能。因此,目前薄膜晶體管溝道層材料已由傳統非晶硅(a-Si)轉向非晶態InZnO(IZO)及InGaZnO(IGZO)等氧化物半導體薄膜材料[1-3]。相比于a-Si-TFT,基于非晶氧化物半導體溝道層的IGZO-TFT具有可室溫制備、高遷移率、高可見光透過率以及大面積均勻性良好等優點,推動了柔性透明顯示技術的發展[4-6]。

2004年東京理工大學Nomura教授小組首次在柔性襯底上成功制備了非晶IGZO溝道層的透明TFT,獲得6～9 cm2/(V·s)的飽和遷移率,已達到主流顯示技術的驅動性能要求[7]。此后,Wu Hung -Chi等人報道了基于玻璃襯底的非晶IGZO-TFT,經快速退火處理之后,獲得了3×106的器件開關電流比,飽和遷移率達到8.3 cm2/(V·s),亞閾值擺幅達到0.44 V/dec[8]。國內上海大學李喜峰小組對IGZO-TFT光照穩定性進行了系統研究,發現白光對IGZO-TFT器件輸出特性影響很小,因而可用于透明顯示驅動器件[9]。目前,基于非晶氧化物TFT器件介質層材料的選擇、溝道層工藝參數及厚度控制已成為影響TFT器件穩定性的瓶頸問題[10-15],調控并優化非晶IGZO溝道層制備工藝參數,對獲得性能穩定的IGZO-TFT驅動陣列具有關鍵和決定性的研究意義。

本文利用射頻磁控濺射法在室溫石英導電玻璃襯底上分別制備了以非晶IGZO作為溝道層的底柵和頂柵結構的TFT原型器件,通過系統調控IGZO溝道層制備工藝中的氧氣流量、后處理退火工藝以及TFT溝道寬長比,獲得了增強型IGZO-TFT器件,并分析和討論了IGZO薄膜缺陷理論模型及對IGZO-TFT器件性能的影響機制。

1 實 驗

室溫下利用射頻磁控濺射法在石英玻璃襯底上生長了非晶IGZO薄膜,沉積過程中IGZO靶材(成分為m(In2O3)∶m(Ga2O3)∶m(ZnO)=1∶1∶2)的濺射功率為100 W,分別制備了IGZO溝道層氧氣流量從0變化到5 cm3/min的頂柵和底柵結構IGZO-TFT原型器件。

制備頂柵結構TFT時,首先采用光刻腐蝕工藝形成ITO源漏電極,然后利用電子束蒸發金屬Al作為柵極電極,再利用磁控濺射沉積100 nm非晶IGZO層作為有源溝道層,接著采用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)法生長非晶SiO2層作為柵介電層,最后腐蝕定義出TFT器件溝道和柵結構。底柵結構TFT器件則采用Ti金屬作為源漏電極。頂柵和底柵IGZO-TFT器件結構示意圖如圖1所示,器件的光學顯微鏡俯視圖如圖2所示。

(a)頂柵結構

(b)底柵結構圖1 IGZO-TFT器件結構示意圖

圖2 底柵結構IGZO-TFT光學顯微鏡俯視圖

分別采用粉末X射線衍射儀(德國Bruker D8 Advance)和霍爾效應系統(Lakeshore 7707A)對不同氧氣流量下IGZO薄膜的晶體結構和電輸運性能進行了表征。利用臺階輪廓儀(AMBIOS XP-2)測試薄膜厚度。采用半導體器件測試系統(Keithly 4200)表征IGZO-TFT器件的輸出和轉移特性曲線,測試均在室溫無光照條件下進行。利用紫外可見光分光光度計(SHIMADZU U3600)測量IGZO-TFT器件在可見光范圍內的光透過率。

2 結果與討論

2.1 氧氣流量對頂柵IGZO-TFT器件性能的影響

圖3所示為X射線衍射測試結果,在不同氧氣流量下制備的IGZO薄膜在2θ為32°附近均呈現出寬衍射峰包,因此當氧氣流量變化時,均獲得了非晶結構的IGZO薄膜。Hosono等人研究報道了In2O3-Ga2O3-ZnO材料體系中,當In、Ga、Zn三者的原子比為1∶1∶1時,三元氧化物IGZO呈現非晶結構[16]。本文研究發現,IGZO薄膜的非晶結構只與其元素化學組成有關,而與制備過程中的工藝參數無關。

圖3 不同氧氣流量下IGZO薄膜的X射線衍射譜

表1 不同氧氣流量下非晶IGZO薄膜的電輸運性能

在研究非晶IGZO薄膜性能的基礎之上,本文制備了不同氧氣流量下以非晶IGZO作為溝道層的頂柵和底柵TFT器件。圖4a和4b分別是氧氣流量為0和5 cm3/min時頂柵結構TFT器件的輸入輸出曲線。由圖4可見:隨著IGZO溝道層生長過程中氧氣流量的增加,器件的柵極電壓Vgs=0時的源漏電流Ids降低;隨著氧氣流量的增加,IGZO薄膜中作為電子施主的氧空位缺陷濃度降低,從而造成溝道層中載流子濃度降低,導致TFT源漏電流下降,并表現為更好的柵控特性和輸入飽和特性。

(a)沒有通入氧氣

(b)氧氣流量為5 cm3/min圖4 不同氧氣流量對頂柵IGZO-TFT器件輸出特性的影響

2.2 氧氣流量對底柵IGZO-TFT器件性能的影響

圖5a和5b分別為濺射過程中氧氣流量分別為2和5 cm3/min時的底柵IGZO-TFT輸入輸出特性曲線,金屬Ti為源漏電極。測試結果表明,隨著IGZO溝道層濺射過程中氧氣流量的增加,源漏電流Ids的飽和性增強,當氧氣流量達到5 cm3/min時,器件顯示了良好的飽和特性。當溝道層氧氣流量增加時,溝道層中氧空位缺陷濃度降低,導致IGZO溝道中電子濃度減少,使TFT器件溝道層電流降低。因此,控制IGZO溝道層生長時的氧氣流量是調控TFT器件溝道層載流子濃度和源漏電流的有效方法,是獲得具有良好IGZO-TFT器件輸出特性的的關鍵工藝。

(a)氧氣流量為2 cm3/min

(b)氧氣流量為5 cm3/min圖5 不同氧氣流量對底柵IGZO溝道TFT輸出特性的影響(溝道寬長比為120 μm∶20 μm)

圖6 氧氣流量為5 cm3/min時底柵IGZO-TFT的轉移特性曲線

(1)

(2)

式中:S為亞閾值擺幅。

表2所示為氧氣流量為5 cm3/min時不同溝道寬長比的底柵IGZO-TFT器件特性參數。根據式(1)計算獲得TFT器件飽和遷移率最大值為19 cm2/(V·s),高于IGZO薄膜的載流子遷移率5～12 cm2/(V·s)。由于IGZO溝道層導通后的邊緣場效應,溝道電力線向周圍擴展,導致TFT器件的有效溝道寬度Weff大于溝道圖形設計寬度W,Okamura等人研究發現,當增加氧化物TFT器件溝道寬長比時,TFT器件溝道的有效寬度更趨近于溝道圖形設計寬度[19]。因此,由式(1)計算獲得的器件飽和遷移率要高于實際值。我們根據該模型對IGZO-TFT器件的飽和遷移率進行了修正,修正后的飽和遷移率為10～11 cm2/(V·s),接近于非晶IGZO的實際霍爾遷移率。

表2 氧氣流量為5 cm3/min時IGZO-TFT的 電學特性參數

2.3 退火對器件性能的影響

本文還研究了后退火工藝對IGZO薄膜以及IGZO-TFT器件特性的影響。前期研究結果表明,IGZO薄膜經過不同溫度下的退火處理未改變IGZO的非晶結構[20]。圖7為溝道層氧氣流量為2 cm3/min時的IGZO-TFT在300 ℃大氣下退火30 min后的輸入輸出曲線。經過大氣退火后,IGZO-TFT器件由耗盡型轉變為增強型,具有良好的柵控和飽和特性,開關電流比達到103,飽和載流子遷移率為1.66 cm2/(V·s)。后退火工藝有效地降低了IGZO溝道中的氧空位濃度,從而降低了溝道層載流子濃度。

圖7 氧氣流量為2 cm3/min時的IGZO-TFT退火后輸出曲線

3 結 論

在室溫下玻璃襯底上制備了以非晶IGZO作為溝道層的頂柵和底柵結構IGZO-TFT器件,通過研究IGZO溝道層沉積過程中氧氣流量對器件特性的影響,我們發現隨著氧氣流量的增加,IGZO-TFT器件由耗盡型轉變為增強型。當氧氣流量為5 cm3/min時,開關電流比為4.8×105,亞閾值擺幅最低為1.2 V/dec,閾值電壓為6.8 V的器件特性。器件飽和遷移率經過對溝道有效寬度的修正后為10～11 cm2/(V·s)。此外,我們還研究了低溫退火工藝對IGZO-TFT器件性能的影響,300 ℃大氣退火后IGZO-TFT器件由耗盡型轉變為增強型。研究表明,通過調控IGZO溝道層沉積時氧氣流量而控制溝道載流子濃度是獲得良好飽和特性增強型IGZO-TFT器件的關鍵因素。

致謝 感謝西安交通大學微電子系張國和副教授參與本文工作的討論;感謝西安交通大學物理電子與器件教育部重點實驗室提供磁控濺射和探針臺TFT器件測試條件。

[1] KAMIYA T, NOMURA K, HOSONO H. Present status of amorphous InGaZnO thin film transistors [J]. Science and Technology of Advanced Materials, 2010, 11(4): 044305.

[2] FORTUNATO E, BARQUINHA P, MARTINS R. Oxide semiconductor thin film transistors: a review of recent advances [J]. Advanced Materials, 2012, 24(22): 2945-2986.

[3] WAGER J. Transparent electronics [J]. Science, 2003, 300: 1245-1246.

[4] XIAO X, SHAO Y, HE X, et al. Back channel anodization amorphous InGaZnO thin film transistors process [J]. IEEE Electron Device Letters, 2015, 36(4): 357-359.

[5] YABUTA H, SANO M, ABE K, et al. High mobility thin film transistor with amorphous InGaZnO4fabricated by room temperature RF-magnetron sputtering [J]. Applied Physics Letters, 2006, 89: 112123.

[6] ZHANG B, LI H, ZHANG X, et al. Performance regeneration of InGaZnO transistors with ultra-thin channels [J]. Applied Physics Letters, 2015, 106: 093506.

[7] NOMURA K, OHTA H, TAKAGI A, et al. Room-temperature fabrication of transparent flexible thin film transistors using amorphous oxide semiconductors [J]. Nature, 2004, 432: 488-492.

[8] WU H, CHIEN C. High Performance InGaZnO thin film transistor with InGaZnO source and drain electrodes [J]. Applied Physics Letters, 2013, 102: 062103.

[9] 李喜峰, 信恩龍, 石繼鋒, 等. 低溫透明非晶IGZO薄膜晶體管的光照穩定性 [J]. 物理學報, 2013, 62(10): 108503-1-5. LI Xifeng, XIN Enlong, SHI Jifeng, et al. Stability of low-temperature and transparent amorphous InGaZnO thin film transistor under illumination [J]. Acta Physica Sinica, 2013, 62(10): 108503.

[10]NOMURA K, KAMIYA T, HOSONO H, et al. Origins of threshold voltage shifts in room-temperature deposited and annealed a-IGZO thin film transistors [J]. Applied Physics Letters, 2009, 95: 013502.

[11]CHOWDHURY M, UM J, MATIVENGA M, et al. Passivation on the stability of amorphous indium-gallium zinc-oxide thin-film transistors under high humidity [J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2015, 62(3): 869-874.

[12]BARQUINHA P, PIMENTEL A, MARQUES A, et al. Influence of the semiconductor thickness on the electrical properties of transparent TFTs based on indium zinc oxide [J]. Journal of Non-Crystalline Solids, 2006, 352: 1749-1752.

[13]CHIANG H, HONG D, PRESLEY R, et al. Processing effects on the stability of amorphous InGaZnO thin film transistors [J]. Journal of Non-Crystalline Solids, 2008, 354: 2826-2830.

[14]KONG D, JUNG H, KIM Y, et al. The effect of the active layer thickness on the negative bias stress-induced instability in amorphous InGaZnO thin film transistors [J]. IEEE Electron Device Letters, 2011, 32(10): 1388-1390.

[15]吳慧貞, 張瑩瑩, 王雄, 等. In2O3透明薄膜晶體管的制備及其電學性能研究 [J]. 物理學報, 2010, 59(7): 5018-5022. WU Huizhen, ZHANG Yingying, WANG Xiong, et al. Fabrication and performance of transparent In2O3thin film transistors [J]. Acta Physica Sinica, 2010, 59(7): 5018-5022.

[16]KAMIYA T, HOSONO H. Materials characteristics and applications of transparent amorphous oxide semiconductors [J]. Nature Publishing Group Asia Materials, 2010, 2(1): 15-22.

[17]LI Y, HU X, LIU Z, et al. Power and gas pressure effects on properties of amorphous InGaZnO films by magnetron sputtering [J]. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2012, 23: 408-412.

[18]LI Y, LIU Z, JIANG K, et al. H2annealing effect on the structural and electrical properties of amorphous InGaZnO films for thin film transistors [J]. Journal of Non-Crystalline Solids, 2013, 378: 50-54.

[19]OKAMURA K, NIKONOLA D, MECHAU N, et al. Appropriate choice of channel ratio in thin-film tran-sistors for the exact determination of field-effect mobility [J]. Applied Physics Letters, 2009, 94(18): 183503.

[20]江凱, 李遠潔. 射頻磁控濺射法沉積非晶InGaZnO薄膜及真空退火對其性能的影響 [J]. 半導體光電, 2014, 35(3): 464-467. JIANG Kai, LI Yuanjie. Annealing effects on properties of amorphous InGaZnO thin films by RF magnetron sputtering [J]. Semiconductor Optoelectronics, 2014, 35(3): 464-467.

(編輯 劉楊)

Characteristics Study of Low Temperature Enhanced Amorphous InGaZnO Thin Film Transistors

LI Yuanjie1,2,JIANG Kai1,2,LIU Zilong1

(1. School of Electronics and Information Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. Center of Solid State Lighting Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Transistors with top bottom-gate thin films and a-IGZO as the active channel layers (a-IGZO-TFTs) are developed by using magnetron sputtering deposition at room temperature. The characteristics of the a-IGZO-TFTs are investigated with regard to oxygen flow rate and post-annealing process. The output characteristics of the bottom-gate a-IGZO-TFTs convert from depletion to enhancement when the oxygen flow rate increases during deposition of the a-IGZO active layer. The a-IGZO-TFTs with a channel width/length ratio of 120∶20 show good electrical properties with an on/off current ratio of 4.8×105, a subthreshold swing of 1.21 V/dec and a saturation mobility of 11 cm2/(V·s). After the a-IGZO-TFTs with active layer deposited at 2 cm3/min oxygen flow rate are annealed at 300 ℃ in air for 30 min, the devices show good enhancement characteristics with on/off current ratio of 4×103.

thin film transistors; amorphous indium gallium zinc oxide; transport properties; magnetron sputtering deposition

2015-04-23。

李遠潔(1974—),女,副教授,博士生導師。

國家自然科學基金資助項目(10904121);陜西省自然科學基金資助項目(2015JM6281);教育部回國留學人員啟動基金資助項目(10回國基金11)。

時間:2015-10-03

10.7652/xjtuxb201512001

TN321.5

A

0253-987X(2015)12-0001-05

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151003.1919.006.html