H2O2氧化處理ZnO溝道層對薄膜晶體管性能的影響

李博 高曉紅 張文通 王天宇 金寶昌

摘要：通過射頻磁控濺射ZnO薄膜的方法制備了以ZnO為有源層的薄膜晶體管器件。研究了H2O2處理ZnO薄膜的不同位置對TFT器件的影響。采用PL測試表征材料的缺陷密度，用SEM表征了氧化處理前后的ZnO薄膜材料的表面形貌。結果表明利用H2O2處理ZnO薄膜與源漏電極的接觸界面會使器件的關態電流降低2個數量級，氧化處理后的ZnO薄膜具有較低的缺陷密度和較好的結晶狀態，TFT器件的電流開關比為7.5×105，閾值電壓Vth為9V，亞閾值擺幅為2V/decade，場效應遷移率為0.85cm·V-1·s-1。

關鍵詞：射頻磁控濺射；ZnO薄膜；H2O2氧化處理

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）12-0250-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effect of H2O2 Oxidation Treatment of ZnO Channel Layer on Properties of Thin Film Transistors

LI Bo， GAO Xiao-hong， ZHANG Wen-tong， WANG Tian-yu， JIN Bao-chang

（Jilin Jianzhu University， College of Electrical and Computer Engineering， Changchun 130118， China）

Abstract： A thin film transistor device with ZnO as active layer was fabricated by RF magnetron sputtering of ZnO thin film. The effects of different positions of H2O2 treated ZnO thin films on TFT devices were investigated. The defect density of the material was characterized by PL test. The surface morphology of the ZnO thin film material before and after oxidation treatment was characterized by SEM. The results show that the contact interface between the ZnO thin film and the source-drain electrode treated with H2O2 reduces the off-state current of the device by two orders of magnitude. The oxidized ZnO film has lower defect density and better crystal state， and the current switching of the TFT device. The ratio is 7.5×105， the threshold voltage Vth is 9V， the subthreshold swing is 2V/decade， and the field effect mobility is 0.85cm·V-1·s-1.

Key words： RF magnetron sputtering； ZnO film； H2O2 oxidation treatment

1引言

近年來由于市場對柔性透明和超高分辨率顯示技術的需求，金屬氧化物的薄膜晶體管（MOTFT）因具有高遷移率、高電流開關比、良好的光學透明性和可低溫大面積制備等優秀的材料特性而廣受關注[1-3]。ZnO作為一種環保的低成本寬帶隙半導體，具有非常穩定的電學，化學和光學性能，并已被廣泛用作TFT的有源層材料[4-6]。但是在ZnO溝道層薄膜制備的過程中，尤其是在低溫環境下沉積，ZnO薄膜很容易發生存在大量晶體缺陷的現象，通常認為ZnO薄膜材料內主要的晶體缺陷是氧空位（Vo）和鋅間隙（Zni）[7，8]，這讓使用ZnO薄膜作為溝道層的TFT器件難以得到并保持優良的器件性能，例如發生閾值電壓的漂移、偏壓不穩定性、滯回不穩定性等[9-11]。雖然有大量研究利用離子摻雜、熱處理等方法降低了薄膜中的氧缺陷[12，13]，使薄膜的結晶質量有所提高，但熱處理的方法無法使器件在柔性襯底上大面積制備，并且有些稀土元素如Ga、In等價格昂貴，不利于在工業生產中大量使用，更會破壞自然環境。我們在之前的研究中發現采用H2O2氧化處理ZnO薄膜的方法，可以在避免高溫制備，又不必引入其他雜質離子的情況下，降低ZnO薄膜的缺陷密度，提高薄膜的結晶質量。本研究又對比了ZnO薄膜作為TFT器件溝道層時H2O2氧化處理源漏電極接觸界面和氧化處理溝道對TFT器件的電學性能影響。

2實驗

通過頻磁控濺射的方法在p-Si襯底上沉積ZnO薄膜，p-Si襯底上有100nm熱氧化的SiO2作為柵介電層，薄膜制備過程在室溫下進行。首先，將清洗好的3片Si襯底放入襯底放入Kurt J.Lesker公司的PVD75 型磁控濺射設備中，使用射頻磁控濺射方法沉積ZnO薄膜，靶材是純度為99.99%的高純ZnO陶瓷靶。先將真空度抽至5×10-5Torr，然后通入純度為99.999%的Ar氣，將氣壓保持在20mTorr，射頻功率設定在50W對Ar氣進行啟輝。接著將Ar：O2設置為95%：5%，沉積時ZnO靶射頻功率為100W，濺射壓強為8 mTorr，薄膜厚度35nm，整個沉積過程在室溫下進行，詳細實驗條件見表1。濺射結束后取出3片樣本進行濕法光刻，取其中一片樣本S2進行H2O2氧化處理，由于光刻膠的保護，器件的溝道未于H2O2接觸，僅處理溝道層與源漏電極接觸界面。接著3片樣本通過電子束蒸發（E-Beam）蒸鍍50nm金屬Al源漏電極，取其中一片樣本S3進行H2O2氧化處理，由于金屬Al的保護，器件ZnO溝道層僅有溝道處與H2O2接觸，S1為未進行H2O2氧化處理的TFT器件。溝道寬為300um長為10um，TFT結構如圖1。兩次H2O2氧化處理均使用3%濃度的H2O2水溶液浸泡30s，處理部位見圖2。使用Keysight B1500A半導體參數測試儀測試TFT器件的電學性能；使用JEOL JSM-7610F拍攝掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；采用日本 HORIBA 公司的光致發光/拉曼（ PL /Raman）光譜儀在室溫下對ZnO薄膜的光學特性進行表征，其中PL光譜使用波長為 325 nm的He-Cd激光器激發。

3結果與討論

圖3給出了ZnO TFT的轉移特性曲線。S3為僅溝道被H2O2氧化處理的TFT器件喪失了器件性能無法通過加大柵壓開啟，這可能是因為溝道被H2O2氧化處理后晶體缺陷被修復而導致溝道處的載流子濃度過低。亞閾值擺幅反映了有源層與柵介電層界面的缺陷密度，缺陷越少則亞閾值擺幅越低，器件的響應速度越快。通過對比S1和S2可以看出溝道層與源漏電極接觸界面被處理后的TFT器件亞閾值擺幅（SS）有所降低，器件的關態電流降低，電流開關比升高近2個數量級，場效應遷移率也隨之升高，S2器件的電流開關比為7.5×105，閾值電壓Vth為9V，亞閾值擺幅為2V/decade，場效應遷移率為0.85cm·V-1·s-1，詳細器件性能見表2。

這是由于H2O2氧化處理降低了ZnO薄膜的缺陷密度，雖然使薄膜的載流子濃度略有降低，導致電流整體下降，但由于電荷陷阱的減少，使得載流子在傳輸過程中被捕獲的幾率大大降低，所以TFT器件的閾值電壓被大大降低，亞閾值擺幅也因缺陷密度的降低而降低。

圖4是H2O2氧化處理前后ZnO薄膜在室溫下的光致發光光譜（PL），激發光源為325nm的激光器。可以看出處理前后薄膜的本征發光峰均在380nm，而處理后的ZnO薄膜處在可見光區范圍內的缺陷發光峰強度大幅降低，這也符合之前的推論，被H2O2氧化處理后的薄膜缺陷密度降低，結晶質量變好。

4結論

使用射頻磁控濺射的方法在p-Si襯底上沉積ZnO薄膜并進行H2O2氧化處理，以此為溝道層制成TFT器件。研究了H2O2氧化處理ZnO薄膜的不同位置對TFT器件的電學性能影響及薄膜的缺陷密度、表面形貌。H2O2氧化處理后的ZnO薄膜缺陷密度降低，結晶質量提高。僅處理溝道的器件因溝道處載流子濃度過低而無法開啟；僅處理溝道層與源漏電極接觸界面的TFT器件的電流開關比升高為7.5×105，亞閾值擺幅降低為2V/decade，閾值電壓變優為9V，場效應遷移率升高為0.85cm·V-1·s-1。

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【通聯編輯：王力】