室溫生長AZO/Al2O3疊層薄膜晶體管性能研究

寧洪龍， 曾 勇， 姚日暉*， 劉賢哲，

陶瑞強1， 鄭澤科1， 方志強1， 胡詩犇1， 陳建秋1，

?

室溫生長AZO/Al2O3疊層薄膜晶體管性能研究

寧洪龍1， 曾 勇1， 姚日暉1*， 劉賢哲1，

陶瑞強1， 鄭澤科1， 方志強1， 胡詩犇1， 陳建秋1，

蔡 煒1， 徐 苗1， 蘭林鋒1， 王 磊1， 彭俊彪1， 李正操2

(1. 華南理工大學 材料科學與工程學院， 高分子光電材料與器件研究所， 發光材料與器件國家重點實驗室， 廣東 廣州 510640；

2． 新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室(清華大學)， 北京 100084)

針對目前大多數氧化物薄膜晶體管都需要采用熱退火工藝來提高其性能不利于其在柔性顯示器件中應用這一問題，提出了一種采用室溫工藝制備的新型TFT器件，無需退火處理即可獲得較好的器件性能。該器件采用脈沖激光沉積技術制備的AZO/Al2O3疊層結構作為溝道層。與單層AZO-TFT器件相比，疊層TFT器件具有更優異的性能，其遷移率為2.27 cm2·V-1·s-1，開關比為1.43×106。通過對AZO/Al2O3疊層薄膜的厚度、密度、粗糙度、物相、界面特性及能帶結構等進行分析，發現這種疊層結構能夠使電子的運動被限制在AZO薄膜平面內，即形成了二維電子傳輸，從而提升TFT器件的性能。

疊層薄膜晶體管； 室溫工藝； 二維電子傳輸

1 引 言

由于遷移率低和穩定性差，傳統氫化非晶硅薄膜晶體管(a-Si∶H TFT)已難以滿足現在高分辨顯示器的要求[1-2]。而多晶硅薄膜晶體管雖然具有高的遷移率，但存在工藝復雜、成本高的缺點[3]。因此，氧化物薄膜晶體管被廣泛研究。在氧化物半導體薄膜晶體管中，退火工藝被認為能夠促進氧化物的金屬-氧-金屬點陣的形成并提高遷移率[4-5]。然而，對于柔性電子器件來說，為了防止損壞柔性襯底，整個工藝過程中保持低溫或者室溫是非常必要的，因此，室溫制備能夠極大地促進柔性電子器件的發展。

制備高遷移率的TFT器件一直是國內外研究機構的熱點方向。Zou等[6]在柵極絕緣層HfO2和溝道層MoS2之間插入緩沖層Y2O3，制備的器件遷移率為63.7 cm2·V-1·s-1。Liu等[7]將銀納米線嵌入IGZO中作為溝道層，制備的器件遷移率為174 cm2·V-1·s-1。另外，還有一些研究人員將溝道做成多層薄膜的異質結結構或超點陣結構[8-12]，獲得了遷移率較高的器件。這主要是因為異質結結構界面維數減少，破壞了平移和旋轉對稱性，不同層電子存在庫倫作用，馬德隆能發生變化，導致能級發生相對運動，電學性能發生改變[13-15]。許多研究發現，在超薄的異質結結構中會形成二維電子氣，對薄膜遷移率有顯著的提高[16-17]。

本文選用價格低廉、環保無毒的AZO材料(靶材為摻有質量分數為2%Al2O3的ZnO)和絕緣性非常好的Al2O3，利用脈沖激光沉積技術(Pulsed laser deposition,PLD)制備多層AZO/Al2O3異質結薄膜組成的TFT疊層器件。相對于單層AZO-TFT，這種疊層器件遷移率有一個極大的提高。這樣的疊層結構同時能夠改善AZO的粗糙度，減少對載流子的散射作用。疊層結構最上層的Al2O3還能夠防止水和氧的滲透，改善閾值電壓Vth。

2 實 驗

本文所制備的TFT器件結構如圖1所示。溝道層中的AZO(2.7 nm)/Al2O3(2.2 nm)異質結疊層薄膜和單層AZO(5.6 nm)薄膜是在室溫、氧壓為0.3 Pa下采用脈沖激光沉積方式生長，其參數如下：激光波長為248 nm，能量為100 mJ，頻率為5 Hz，脈沖寬度為10 nm，本底真空度為2.0×10-4Pa。薄膜厚度通過脈沖數來控制。器件溝道長寬比為1 000 μm/300 μm。柵極為室溫下直流磁控濺射的Al∶Nd合金，緊接著將Al∶Nd合金陽極氧化生成Al2O3∶Nd柵極絕緣層，柵極和柵極絕緣層厚度分別為100 nm和200 nm。TFT的源/漏電極為ITO，也是采用直流磁控濺射工藝(0.3 A，278 V)在2.5 Pa的純氬氣氣氛中生長，厚度為60 nm。

Fig.1 Schematic diagram of AZO/Al2O3multilayer TFTs

3 結果與討論

3.1 界面分析

圖2是AZO/Al2O3疊層TFT的高分辨透射電鏡(High resolution transmission electron microscopy，HRTEM)截面圖。柵極Al∶Nd合金有明顯的Nd元素聚集，Nd的摻雜主要是為了防止Al的hillock現象，提高其穩定性。在溝道層中，PLD沉積的疊層異質結結構薄膜有非常明顯的AZO和Al2O3界面和周期性的疊層結構。AZO中的Al元素能夠緩解與Al2O3形成界面時的晶格失配，防止生成界面陷阱態。由HRTEM測得AZO和Al2O3的厚度分別為2.7 nm和2.2 nm。從HRTEM圖中可以明顯看到AZO薄膜晶粒，AZO為多晶結構，而Al2O3為非晶結構。

Fig.2 Cross-sectional HRTEM image of AZO/Al2O3multilayer TFTs

3.2 TFT器件性能對比和分析

圖3為單層AZO-TFT和AZO/Al2O3疊層TFT的輸出特性和轉移特性圖，表1列出了相關參數值。AZO/Al2O3疊層TFT的場效應遷移率(2.27 cm2·V-1·s-1)比單層AZO-TFT(0.52 cm2·V-1·s-1)提高了4倍多。據文獻報道，PLD制備的Al2O3異質結薄膜禁帶寬度為8.3 eV[18]。由圖4(a)可知，疊層器件在正柵壓(VGS>0 V)的作用下，電子會在AZO薄膜下表面聚集而空穴會被電場推向上表面聚集，同時AZO薄膜

下表面的能級會向下彎曲，而上表面的能級向上彎曲，這樣使得AZO薄膜和Al2O3薄膜之間的導帶帶偏和價帶帶偏均變大，電子遂穿Al2O3勢壘增大。因此，如圖4(b)所示，大部分非AZO平面的電子無法通過遂穿Al2O3進入另一層的AZO，這些電子受到上表面聚集的空穴和Al2O3勢壘的散射(彈性散射或者非彈性散射)，非平面方向的動能被逐漸損耗，而平面方向的電子在源漏之間電場作用下動能增加，非平面電子轉換為平行于AZO平面的電子。所以，疊層結構沿著平面方向的載流子數目增加，遷移率提高[12]。這也是導致疊層薄膜晶體管同時具有高的Ion和Ioff的原因。載流子運輸機制主要為滲流傳導機制和陷阱限制傳導機制[19-20]。載流子濃度增加會導致費米能級(EF)上移至遷移率邊界(Em)，陷阱會被富余的載流子填充，形成滲流傳導機制[21]。另外，充足的載流子濃度能夠填充晶界，降低晶界勢壘，從而抑制晶界散射。單層和疊層TFT器件亞閾值搖擺值(SS)分別為0.87 V/dec和0.94 V/dec，差別幾乎可以忽略，說明疊層結構并沒有增加多余的電荷陷阱。這是因為AZO中含有Al元素，能夠減少與Al2O3的界面失配，抑制陷阱態的產生。

另外，Chen等[22]的研究表明，當載流子濃度足夠高、EF上移至導帶時，氧空位的形成能升高而氧離子的形成能降低，即氧空位被抑制。因為室溫制備的薄膜晶體管容易在界面形成陷阱，高濃度的載流子可以填充這些限制，從而改善缺陷的影響。因此，這種疊層結構有利于制備室溫薄膜晶體管。疊層TFT的Vth(3.2 V)要小于單層AZO-TFT(5.43 V)。空氣中的O2是Vth不穩定的主要因素，O2為受主態，能夠捕獲導帶中的電子使溝道形成一個耗盡層，Vth增加[22-24]。然而，疊層TFT最上層為Al2O3，類似于鈍化層，可以有效阻止空氣中的氧氣進入，改善Vth值和器件的穩定性。

表1 單層TFT和疊層TFT的性能對比

Tab.1 Comparison of property parameters of single TFT and stacked TFT

TFTIon/IoffVth/VSS/(V·dec-1)μFE/ (cm2·V-1·s-1)AZO-TFT8.96×1055.430.870.52疊層TFT1.43×1063.20.942.27

圖4 在疊層結構中,Al2O3層對AZO中的電子影響示意圖。

Fig.4 Schematic diagram show effect of Al2O3layer on electron from AZO in stacked structure

3.3 薄膜的厚度、密度和粗糙度分析

如圖5所示，本文的AZO單層或AZO/Al2O3疊層異質結薄膜的厚度、密度和界面粗糙度的變化通過X射線反射(X-ray reflectivity，XRR)方法來表征。為了確保測試的準確性，XRR測試的薄膜是在沉積溝道時一同在SiO2襯底上生長的。測試結果如表2所示，在室溫下制備的薄膜仍然有較低的粗糙度和高的密度。疊層中AZO薄膜粗糙度(0.55 nm)相對于單層AZO薄膜粗糙度(0.85 nm)改善了大約35%，表明這種疊層結構有利于降低AZO薄膜粗糙度。粗糙度的改善可以減少對電子的散射，從而提高遷移率。疊層中AZO薄膜的密度(6.56 g·cm-3)比單層AZO薄膜的密度(6.25 g·cm-3)大，說明這種疊層結構有利于薄膜致密化，減少薄膜體內的缺陷，改善器件性能[4]。

Fig.5 X-ray reflectivity measurement of single AZO thin film (a) and stacked structure thin film (b)

表2 單層和疊層薄膜的密度、厚度和粗糙度

Tab.2 Density, thickness and roughness of single and stacked thin film

薄膜密度/(g·cm-3)粗糙度/nmAZO6.350.849AZO/Al2O3疊層異質結薄膜AZOAl2O36.562.440.5450.827

3.4 物相分析

圖6為疊層結構的X射線衍射譜(X-ray diffraction,XRD)。由圖可知，這種疊層結構通過在中間插入Al2O3可以改善AZO的結晶度和c軸取向。Cheol等[12]的研究表明，在疊層結構中，載流子在溝道層平面方向的遷移率會隨半導體結晶度的改善而提高。如圖所示，AZO薄膜有明顯的(100)、(002)、(101)、(110)、(103)和(112)的特征峰，為多晶結構，而并沒有發現Al2O3的結晶峰，呈非晶相，這與HRTEM結果一致。因為電子容易沿晶界運動，Al2O3薄膜的非晶結構可能更好地抑制電子非平面方向的運動，促進平面方向的移動，提高器件遷移率。

4 結 論

本文研究了室溫下制備的AZO/Al2O3/AZO/ Al2O3疊層超薄異質結結構的薄膜晶體管性能，并與單層AZO-TFT進行對比。在HRTEM圖中，這種疊層結構有非常明顯的AZO和Al2O3的界面和周期性堆疊結構。疊層結構TFT的場效應遷移率比單層AZO-TFT有一個明顯的提高(0.52→2.27 cm2·V-1·s-1)。這是因為疊層結構中的非晶Al2O3是一種寬禁帶絕緣材料，對器件施加正柵壓時，大部分非AZO平面的電子會受到上表面空穴和Al2O3勢壘的抑制，無法通過隧穿進入另一層的AZO，電子的運動被限制在AZO薄膜平面內，即形成一種二維電子傳輸，促進了載流子濃度和遷移率提高。高載流子濃度會填充界面陷阱態，抑制界面陷阱對器件性能的影響，有利于室溫下制備器件。這種疊層結構薄膜也有利于AZO改善粗糙度，形成更加致密的薄膜。另外，疊層中的Al2O3能有效地防止空氣中的氧氣進入溝道和柵極絕緣層界面，改善Vth的不穩定性。

[1] LIANG C, CHAU J L H, YANG C,etal.. Preparation of amorphous Ga-Sn-Zn-O semiconductor thin films by RF-sputtering method [J].Mater.Sci.Eng.: B， 2014, 183:17-23.

[2] 茍昌華,武明珠,郭永林，等. 未退火InGaZnO作為緩沖層的InGaZnO薄膜晶體管性能研究 [J]. 液晶與顯示, 2015, 30(4):602-607. GOU C H, WU M Z, GUO Y L,etal.. Effects of using InGaZnO without annealing as buffer layer on the performance of InGaZnO thin film transistors [J].Chin.J.Liq.Cryst.Disp., 2015, 30(4):602-607. (in Chinese)

[3] KANG M, KIM S J, KIM H J. Fabrication of high performance thin-film transistorsviapressure-induced nucleation [J].Sci.Rep., 2014, 4:6858.

[4] HENNEK J W, SMITH J, YAN A,etal.. Oxygen “Getter” effects on microstructure and carrier transport in low temperature combustion-processed a-InXZnO (X=Ga, Sc, Y, La) transistors [J].J.Am.Chem.Soc., 2013, 135(29):10729-10741.

[5] HUANG G, DUAN L, DONG G,etal.. High-mobility solution-processed tin oxide thin-film transistors with high-κ alumina dielectric working in enhancement mode [J].ACSAppl.Mater.Interf., 2014, 6(23):20786-20794.

[6] ZOU X, WANG J, CHIU C,etal.. Interface engineering for high-performance top-gated MoS2field-effect transistors [J].Adv.Mater., 2014(26):6255-6261.

[7] LIU H, LAI Y, LAI C,etal.. Highly effective field-effect mobility amorphous InGaZnO TFT mediated by directional silver nanowire arrays [J].ACSAppl.Mater.Interf., 2015, 7(1):232-240.

[8] LIAU L C, LIN Y. Fabrication of assembled ZnO/TiO2heterojunction thin film transistors using solution processing technique [J].Solid-StateElectronics, 2015, 103:54-58.

[9] NAYAK P K, WANG Z, ANJUM D H,etal.. Highly stable thin film transistors using multilayer channel structure [J].Appl.Phys.Lett., 2015, 106(10):103505.

[10] AHN C H, KIM S H, KIM Y K,etal.. Effect of post-annealing temperatures on thin-film transistors with ZnO/Al2O3superlattice channels [J].ThinSolidFilms, 2015, 584:336-340.

[11] LEE S, HWANG C, PI J,etal.. Characterization of amorphous multilayered ZnO-SnO2heterostructure thin films and their field effect electronic properties [J].Appl.Phys.Lett., 2014, 105(20):201601.

[12] AHN C H, SENTHIL K, CHO H K,etal.. Artificial semiconductor/insulator superlattice channel structure for high-performance oxide thin-film transistors [J].Sci.Rep., 2013, 3:2737.

[13] GRANOZIO F M, KOSTER G, RIJNDERS G. Functional oxide interfaces [J].MRSBulletin, 2013, 38(12):1017-1023.

[14] ROGERS J A, SOMEYA T, HUANG Y. Materials and mechanics for stretchable electronics [J].Science, 2010, 327(5973):1603-1607.

[15] HWANG H Y, IWASA Y, KAWASAKI M,etal.. Emergent phenomena at oxide interfaces [J].Nat.Mater., 2012, 11(2):103-113.

[16] CHEN Y Z, BOVET N, TRIER F,etal.. A high-mobility two-dimensional electron gas at the spinel/perovskite interface of γ-Al2O3/SrTiO3[J].Nat.Commun., 2013, 4:1371.

[17] ATAIDE S F, SCHMITZ N, SHEN K,etal.. The crystal structure of the signal recognition particle in complex with its receptor [J].Science, 2011, 331(6019):881-886.

[18] AJIMSHA R S, DAS A K, JOSHI M P,etal.. Band alignment studies of Al2O3/CuGaO2and ZnO/CuGaO2hetero-structures grown by pulsed laser deposition [J].Appl.Surf.Sci., 2014, 317:994-999.

[19] LEE S, GHAFFARZADEH K, NATHAN A,etal.. Trap-limited and percolation conduction mechanisms in amorphous oxide semiconductor thin film transistors [J].Appl.Phys.Lett., 2011, 98(20):203508.

[20] KAMIYA T, NOMURA K, HOSONO H. Origin of definite Hall voltage and positive slope in mobility-donor density relation in disordered oxide semiconductors [J].Appl.Phys.Lett., 2010, 96(12):122103.

[21] AIKAWA S, MITOMA N, KIZU T,etal.. Suppression of excess oxygen for environmentally stable amorphous In-Si-O thin-film transistors [J].Appl.Phys.Lett., 2015, 106(19):192103.

[22] CHEN W, LO S, KAO S,etal.. Oxygen-dependent instability and annealing/passivation effects in amorphous In-Ga-Zn-O thin-film transistors [J].IEEEElectronDev.Lett., 2011, 32(11):1552-1554.

[23] JEONG J K, WON YANG H, JEONG J H,etal.. Origin of threshold voltage instability in indium-gallium-zinc oxide thin film transistors [J].Appl.Phys.Lett., 2008, 93(12):123508.

[24] KIM D, YOON S, JEONG Y,etal.. Role of adsorbed H2O on transfer characteristics of solution-processed zinc tin oxide thin-film transistors [J].Appl.Phys.Express, 2012, 5(2):21101.

寧洪龍(1971-),男，湖南株洲人，博士，教授，博士生導師，2004年于清華大學獲得博士學位，主要從事新型信息顯示材料與器件系統集成的研究。

E-mail: ninghl@scut.edu.cn姚日暉(1981-)，男，湖南漣源人，博士，副教授，2008年于中山大學獲得博士學位，主要從事光電材料與器件方面的研究。

E-mail: yaorihui@scut.edu.cn

Properties of AZO/Al2O3Stacked Thin Film Transistors Prepared at Room Temperature

NING Hong-long1, ZENG Yong1, YAO Ri-hui1*, LIU Xian-zhe1, TAO Rui-qiang1, ZHENG Ze-ke1, FANG Zhi-qiang1, HU Shi-ben1, CHEN Jian-qiu1, CAI Wei1, XU Miao1, LAN Lin-feng1, WANG Lei1, PENG Jun-biao1, LI Zheng-cao2

(1.InstituteofPolymerOptoelectronicMaterialsandDevices,StateKeyLaboratoryofLuminescentMaterialsandDevices,DepartmentofMaterialsScienceandEngineeringSchool,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China;2.StateKeyLaboratoryofNewCeramicandFineProcessing,DepartmentofMaterialsScienceandEngineeringSchool,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Most of the oxide thin film transistor (TFT) need thermal annealing process to improve its performance, which is detrimental to their applications in the flexible display devices. Concerning this problem, a new TFT structure with room temperature process was presented, which has good performance without annealing treatment. AZO/Al2O3stacked thin film was prepared by pulsed laser deposition as a channel layer. The stacked TFT showed better performance than single-layer AZO-TFT. The field effect mobility and on/off current ratio were 2.27 cm2·V-1·s-1and 1.43×106. By analyzing the thickness, density, roughness, phase and band structure of AZO/Al2O3stacked thin film, it is found that the electrons can be confined in the potential well of AZO, which forms a two-dimensional electron transport to improve the performance of TFT device.

stacked thin film transistor; room temperature process; two-dimensional electron transport

2016-05-26；

2016-08-29

國家重點基礎研究發展計劃(973)(2015CB655004)； 國家重點研發計劃(2016YFB0401504，2016YFF0203603)； 廣東省自然科學基金(2016A030313459)； 廣東省科技計劃(2014B090915004，2016B090907001，2014A040401014，2016B090906002，2015A010101323，2014B090916002，2015A010101323，2015B090915001，2015B090914003)；廣東省教育廳項目(2014KZDXM010，2015KTSCX003)； 中央高校基本科研業務費專項資金(2015ZP024，2015ZZ063)； 新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室開放課題(KF201508)資助項目

1000-7032(2016)11-1372-06

TN321+.5

A

10.3788/fgxb20163711.1372

*CorrespondingAuthor,E-mail:yaorihui@scut.edu.cn