非晶銦鎵鋅氧化物薄膜晶體管電學性能研究

郭曉晴

（蘇州大學電子信息學院，江蘇 蘇州 215000）

非晶銦鎵鋅氧化物薄膜晶體管電學性能研究

郭曉晴

（蘇州大學電子信息學院，江蘇 蘇州 215000）

非晶態氧化物半導體材料因其優良的性能而發展迅速，而非晶銦鎵鋅氧化物薄膜晶體管（a-IGZO TFT）更是憑借其電學特性的優良以及高可見光透過率而成為研究的熱點。本文綜述了a-IGZO TFT與非晶硅TFT（a-Si∶H）在載流子遷移率、亞閾值擺幅等電學特性方面產生較大差異的原因，并且探究了a-IGZO TFT的溝道寬度對其電學性能的影響。

a-IGZO TFT；電學特性；溝道寬度

隨著顯示技術，尤其是平板顯示技術的飛速發展，薄膜晶體管作為顯示像素控制電路核心器件，它的特性和制備工藝等問題已經成為顯示技術領域的核心問題之一。自進入20世紀90年代，LCD正式進入高分辨率高清晰度以及全彩色圖像顯示的新階段，有源矩陣薄膜晶體管液晶顯示技術在人們生活中起著越來重要的作用，其不斷推進著技術的高速發展。有源矩陣液晶顯示技術以其高清晰度，大容量、功耗低而成為液晶的主導技術，同時也是研發的熱點。

目前使用最廣泛的a-Si∶H TFT具有載流子遷移率低等缺點，難以實現高清晰度和高分辨率，而a-IGZO TFT作為一種新型氧化物半導體材料，具有較高的載流子遷移率，較大的禁帶寬度，較好的延展性，因此廣泛地被研究。同時a-IGZO TFT的制備工藝較為簡單，其與現有設備的兼容性良好，非常具有代替非晶硅材料的潛力。

a-IGZO TFT和a-Si∶H TFT同為非晶材料，但是性能差異卻很大。本文通過對比兩種器件的電學參數，解釋這些現象出現的原因，電學參數包括載流子遷移率，閾值電壓，亞閾值擺幅，開關電流比。同時，保持a-IGZO TFT溝道長度不變，改變溝道寬度，比較溝道寬度對a-IGZO器件帶來的電學參數的變化。

1.實驗

TFT的三端電壓通過影響有源層載流子分布可以控制器件工作模式，在不同的工作模式下，漏電流與柵端、漏端電壓存在著不同的關系，從器件的轉移特性曲線中我們能擬合提取性能指標參數。

以n型器件為例，當器件工作在線性區即Vds＜VGS-Vth時，實驗利用線性區載流子遷移率和轉移特性曲線的關系，即

提取載流子遷移率，單位為cm2/V·s。亞閾值擺幅SS是利用，對亞閾值區轉移曲線進行微分得到，并且選擇其中的最小值作為最終結果。

實驗利用Agilent 4156C精密半導體參數測試儀在Vector（MX-1100B）上測試器件的特性曲線數據。

1.1a-IGZO TFT和a-Si∶H TFT電學性能的比較研究

實驗中用到的a-Si∶H TFT是采用傳統的底柵交錯型結構，制作在玻璃襯底上，柵絕緣層為SiNx，厚度為350nm，非晶硅溝道層厚度為120nm。a-IGZO器件采用的是底柵頂接觸結構，柵絕緣層厚度20nm。本實驗中兩種器件的寬長比W/L均為10μm/10μm，如圖1所示。

由表1可以看出，a-IGZO TFT的載流子遷移率能達到a-Si∶H TFT遷移率的10倍。在非晶硅結構中，由于懸掛鍵的存在使得TFT的性能退化，載流子遷移率很低，這也是在制作TFT時需要利用氫原子進行鈍化提高TFT性能的原因。但是在半導體氧化物中，由于氧化物的離子性很強，在金屬原子和氧原子之間會有電荷的遷移，導致金屬原子最外層S軌道處于空狀態，這會使帶隙能量之差降低，從而使載流子更容易遷移。在氧化物半導體中，金屬陽離子外層未被占據的s軌道的重合會給載流子提供很大的運動空間，這也能夠有效的提高載流子的遷移率。

在硅中，每形成一個硅空位，會在靠近帶隙的地方形成一個不成對電子的懸掛鍵，可以作為電子陷阱或者空穴陷阱，因此增加了表面陷阱。所以對于非晶硅來說，亞閾值擺幅比較大。氧化物半導體中氧空位的形成只能作為淺施主能級，但是不能作為陷阱存在，降低了亞閾值擺幅，因而有效地提高了器件的開關速度。

a-IGZO TFT缺陷密度比較小，禁帶寬度比較大，所以其泄漏電流小，開關電流比大。而且有學者研究表明IGZO薄膜有較高的電阻率，這也可能會使其泄漏電流降低。

1.2溝道寬度對a-IGZO TFT電學特性的影響

實驗中使用的a-IGZO TFT制備工藝與上述實驗相同，溝道長度均為10μm，溝道寬分別為10μm，20μm，50μm。

對于低漏端電壓，較小的溝道寬度發生變化時，閾值電壓變化不明顯，但是存在閾值電壓隨著溝道寬度變化的現象。這是由于IGZO薄膜的熱導率低于硅和二氧化硅，熱擴散不易進行。當溝道的寬增大時，使這一現象更加劇烈，稱為自加熱效應。這種現象會在漏極電壓較大，溝道寬度較大時更明顯。自加熱效應會使器件溫度升高，載流子遷移率下降，這點可以由表2看出，隨著溝道寬度的增加，載流子遷移率逐漸下降。通過熱電子場發射過程，溝道電子在絕緣層和IGZO界面時被缺陷捕獲，導致了閾值電壓正向遷移。從圖2中可以看出，亞閾值擺幅基本相同，這說明當溝道寬度增加時對表面態并沒有明顯的影響。

理論上溝道寬度的增加能夠同時增大開態電流和泄漏電流，但在圖2中泄漏電流卻隨著溝道寬度的增加幾乎沒有變化，總體表現為開關電流比提高。

結論

氧化物中離子鍵的存在使a-IGZO TFT性能與a-Si TFT的有很大區別，表現為a-IGZO TFT亞閾值擺幅的減小，載流子遷移率的增大，泄漏電流的降低，總體使器件性能提高。在探究寬長比對a-IGZO TFT影響時，表現出當溝道長度不變時，隨著溝道寬度的增加，載流子遷移率下降，閾值電壓提升，開關電流比增大和亞閾值擺幅減小的現象。

［1］許洪華，徐征，黃金昭，等.薄膜晶體管研究進展［J］.光子技術，2006（3）：135-136.

［2］吳為敬，嚴駿，許志平，等. IGZO TFT與ZnO的性能比較［J］.液晶與顯示，2011，26（2）：147-153.

［3］ S . D . BROTHERTON. Introduction To Thin Film Transistors： Physics and Technology of TFTs［M］. UK： Springer International Publishing， 2013： 312-320.

［4］ KUAN-HSIEN LIU， TING-CHANG CHANG. Investigation of channel widthdependent threshold voltage variation in a-InGaZnO thin-film transistors［J］. Applied Physics Letters， 2014， 104（13）： 133503（1-3）.

TN321

A