激光對固態電解質金屬氧化物薄膜晶體管性能的影響

楊 倩， 杜世遠， 邊 銳

(1. 福州大學 至誠學院，福建 福州 350002;2. 福建衛生職業技術學院，福建 福州 350101)

1 引 言

自2003年Nomura報道透明金屬氧化物薄膜晶體管(Metal-Oxide Thin Film Transistor, MOTFT)以來，關于材料體系和制備技術得到蓬勃發展[1-3]。MOTFT具有響應時間短、遷移率高、生長溫度低、高透光性和可大面積制備等優點，有利于實現較大的開口率，能夠滿足新一代4K大尺寸顯示器的快速、大面積和更高清晰度顯示的需求[4-5]。值得注意的是，基于固態電解質的MOTFT具有良好的環境穩定性和優異的電學性能，因而具有巨大的應用潛力[6-7]。

傳統的提高固態電解質MOTFT電學性能的方法主要包括材料設計或改變器件結構[8-10]。例如，Beom K.等人采用雙柵器件結構從而提高基于TaOx/n-IGZO的器件電導[11]；Pillaiet等人則是通過調節固態電解質絕緣層的厚度實現對晶體管性能的調控[12]。然而，上述方法存在制作工藝復雜、制備時間長的問題，同時，難以對晶體管實現精確的調控[13-14]。

利用激光對材料進行處理為上述問題提供了一個簡單的解決方案，通過利用激光對材料產生的局部熱效應，以及激光優異的加工處理速度，從而實現對材料性能的精確控制[15-18]。本文探究了激光對固態電解質金屬氧化物薄膜晶體管電學性能的影響，該晶體管采用高k固態電解質Ta2O5作為柵絕緣層，透明氧化銦錫(ITO)作為有源層以及源漏電極。需要注意的是，在沉積半導體層和電極之前，采用飛秒激光(Femtosecond Laser, fs-laser)對Ta2O5絕緣層薄膜進行照射處理。研究發現，隨著激光強度的提高，Ta2O5/ITO TFT的開態電流增加，閾值電壓負向漂移。通過對Ta2O5薄膜進行XPS測試，表明激光可以調控薄膜中氧空位的含量。同時，本文進一步探索了激光對固態電解質晶體管突觸性能的影響，興奮性后突觸電流(EPSC)隨著激光強度的增強而增加。本文提出了一種簡單、快速(<1 s)、低溫(<45 ℃)地調控晶體管性能的方式，為今后基于固態電解質MOTFT更加廣泛的應用奠定了基礎。

2 實 驗

2.1 固態電解質MOTFT的制備

本文制備的固態電解質MOTFT為底柵頂接觸結構，采用純硅片作為底柵電極。首先，用丙酮、異丙醇和去離子水對硅片依次進行清洗，每次5 min，之后用氮氣對其吹干；隨后，在硅片上利用射頻濺射法濺射150 nm的Ta2O5絕緣體層，濺射功率100 W，氣壓為0.35 Pa。利用飛秒激光對Ta2O5薄膜進行照射處理，激光脈沖頻率為1 MHz、脈沖寬度為283 fs、波長517 nm；為了探究激光強度對Ta2O5薄膜的影響，本文選擇了3種不同的激光強度：263，309，358 mJ/cm2，對Ta2O5絕緣層薄膜照射時采用網格型方式掃描薄膜表面，掃描速率為500 mm/s。之后，利用擴散濺射法制備ITO半導體層和源/漏電極，在濺射過程中，ITO源/漏極在純氬環境下通過射頻磁控濺射鎳掩模板沉積，掩模板放置在Ta2O5/Si襯底上方，距離襯底50 μm，濺射的ITO納米團簇會衍射到掩膜版的陰影區，因此，在ITO源極/漏極之間會同時自組裝形成一薄ITO溝道層。器件溝道長度和寬度分別為80 μm和400 μm，在擴散濺射過程中壓力和功率分別為0.3 Pa和300 W。

2.2 實驗儀器

本文制備的固態電解質金屬氧化物晶體管電學特性測試使用Agilent 2902半導體器件參數分析儀，Ta2O5薄膜的表面形貌使用原子力顯微鏡(AFM，Bruker Multimode 8) 測量。利用XPS研究了激光照射對Ta2O5薄膜的化學成分的改變。所有電學特性均在室溫環境下測試。

3 結果與討論

圖1(a)為本文制備的底柵頂接觸Ta2O5/ITO TFT的結構示意圖，其中，絕緣層為固態電解質Ta2O5薄膜，有源層為ITO薄膜。值得注意的是，本文在制備電極和半導體層的過程中，采用了擴散濺射法，即在一個過程中同時形成半導體層和金屬層。在濺射100 nm ITO電極時，形成了厚度約20 nm的自組裝ITO層，該自組裝ITO薄膜顯示出半導體性能。利用掩模板自組裝方法同時形成電極和半導體層的方法具有制作工藝簡單、成本低的優勢。由于固態電解質的電雙層效應，柵極介質層和半導體層界面之間具有極強的電雙層調制效應，因此，基于固態電解質的薄膜晶體管可以在低電壓下工作，高k的Ta2O5薄膜(εr=20～35)可以有效降低驅動電壓、降低器件功耗。我們采用了擴散濺射法制備半導體層和源漏電極，從而大大簡化了工藝步驟，并在電極和有源層之間提供了更好的歐姆接觸。需要注意的是，在沉積半導體層和電極之前，本文利用飛秒激光對Ta2O5薄膜進行照射，如圖1(b)所示，激光掃描方式為網格型，激光掃描速率為500 mm/s，激光波長為554 nm，激光脈沖寬度為283 fs。

圖1 (a) Ta2O5/ITO TFT結構示意圖；(b)激光照射Ta2O5薄膜示意圖。Fig.1 (a) Structure diagram of Ta2O5/ITO TFT;(b)Schematic diagram of Ta2O5 insulator layer under laser irradiation.

圖2(a)為本文制備的Ta2O5/ITO TFT雙掃轉移曲線。該曲線在Ta2O5薄膜厚度150 nm、源漏電壓VDS為5 V情況下測試，器件呈現出典型的n型特性曲線，記憶窗大于3 V，轉移曲線中的逆時針遲滯是由于固態電解質絕緣層中移動離子的運動引起的。同時，由于固態電解質中電雙層的強靜電耦合效應，制備的晶體管的電流開關比大于106，導通電流大于10-4A。Ta2O5/ITO TFT的輸出曲線如圖2(b)所示，器件在低的源漏電壓VDS下IDS呈線性增加，說明TFT具有良好的歐姆接觸。

圖2 (a)Ta2O5/ITO TFT器件雙掃曲線; (b)Ta2O5/ITO TFT 輸出曲線。Fig.2 (a) Dual sweep transfer curves of Ta2O5/ITO-based TFT at a constant VDS of 5.0 V; (b)Output curves of the Ta2O5/ITO-based TFT.

3.1 不同激光強度對固態電解質TFT的影響

為了研究激光強度對Ta2O5薄膜表面的影響，本文研究了不同激光強度下的MOTFT特性。圖3展示了在激光掃描速率為500 mm/s時，不同激光強度下器件的IDS-VGS特性曲線。從圖中可以看到，在激光強度為263 mJ/cm2和358 mJ/cm2時，開態電流有著明顯的差異。晶體管在柵壓VGS=5 V、激光強度358 mJ/cm2時的開態電流(20.3 μA)是激光強度263 mJ/cm2時的開態電流(3.01 μA)的近7倍，且關態電流也明顯增大。這表明在較高的激光強度下有更多的可移動的離子，從而導致在半導體層中產生較高的電子密度。同時，大量移動離子的積累導致閾值電壓的負向漂移。我們采用了原子力顯微鏡(AFM)的tapping模式來表征Ta2O5薄膜的表面形貌，Ta2O5薄膜在無激光照射和激光強度為309 mJ/cm2時的表面粗糙度均方根分別為0.854 nm和0.680 nm，如圖4(a)、(b)所示，由此可以得出激光照射對Ta2O5薄膜表面粗糙度沒有顯著影響。圖5 為本文制備的Ta2O5絕緣層的C-V雙掃曲線，從該曲線中可以得到，在AC 1 MHz的頻率下150 nm厚度的Ta2O5薄膜介電常數(κ)為21。

圖3 不同激光強度下Ta2O5/ITO TFT的轉移曲線Fig.3 Tansfer curves of Ta2O5/ITO TFT under different laser intensities

圖4 (a)無激光照射和(b)激光強度為309 mJ/cm2時Ta2O5薄膜的表面形貌Fig.4 Surface RMS roughness of Ta2O5thin film. (a)With no laser irradiation; (b)With laser intensity of 309 mJ/cm2.

圖5 雙掃C-V曲線Fig.5 Dual sweep C-V characteristics of the device

3.2 不同激光強度下Ta2O5薄膜的XPS分析

圖6 (a～d)不同激光強度下Ta2O5薄膜的O1s峰Fig.6 (a～d)O1s peaks of Ta2O5thin film under different laser intensities

表1 Ta2O5薄膜在不同激光強度時Ta—O、VO2+、CO峰面積百分比

圖7所示為本文制備的Ta2O5/ITO TFT的工作機理。當施加正柵壓時，如圖7(a)所示，帶負電的氧離子被吸引到Si/Ta2O5界面，帶正電的離子氧空位被排斥到Ta2O5/ITO界面上，因而導致在絕緣層/半導體層界面氧空位的積累。在圖7(b)中，激光照射會導致絕緣層/半導體層界面上更多的氧空位積累，導致更多的載流子(電子)積聚在ITO半導體層，并從源極漂移至漏極。有趣的是，絕緣層/半導體層界面上大量氧空位的積累將在固體電解質中形成自上而下的內建電場，從而削弱柵極電場的作用。當施加負柵壓時，如圖7(c)所示，由于電離氧空位和負氧離子的復合，內建電場消失，晶體管處于OFF態。

圖7 Ta2O5/ITO TFT的工作機理。(a)底電極施加正柵壓；(b)激光照射在有源層/絕緣層界面引入更多的氧空位；(c)底電極施加負柵壓。Fig.7 Working mechanism of Ta2O5/ITO TFT.(a)Positive gate voltage is applied to the bottom electrode; (b) Laser irradiation induces more oxygen vacancies accumulated at the semiconductor/insulator interface; (c) Negative gate voltage is applied to the bottom electrode.

3.3 激光對固態電解質MOTFT突觸性能的影響

基于本文制備的固態電解質Ta2O5/ITO TFT的特性，利用固態電解質絕緣層的遲滯效應以及激光對Ta2O5薄膜中氧空位含量的調控效果，進一步探索了不同激光強度對Ta2O5/ITO TFT突觸行為的影響。圖8(a)展示了基于Ta2O5/ITO的突觸晶體管的典型興奮性后突觸電流(Excitatory Post Synaptic Current，EPSC)，突觸后電流是通過突觸前脈沖(即柵電壓脈沖VG)觸發的，脈沖電壓VG為3 V，脈沖寬度為150 ms。突觸前脈沖結束時，EPSC信號高達9.5 μA，然后衰減到2.4 μA。這是由于正離子氧空位在Ta2O5/ITO界面上積累，從而調節了溝道電導，導致EPSC的增加；而EPSC的緩慢衰減則是由于突觸前脈沖結束后帶正電的氧空位離子和帶負電的氧離子緩慢復合過程導致的。

圖8(b)所示為在突觸前脈沖VG為3 V，脈沖寬度為150 ms時，Ta2O5/ITO晶體管在3種不同激光強度下后突觸電流EPSC的變化。在脈沖寬度一定時，EPSC值隨激光強度的增加而逐漸增大，表明激光誘導產生的離子數量增加。同時，當激光強度從263 mJ/cm2增加到309 mJ/cm2時，EPSC值發生了顯著變化，而當激光強度超過309 mJ/cm2時，EPSC值變化減慢。這種行為和電解質中自上而下的內建電場的建立有關，這種電場是由絕緣層/半導體層上的氧空位累積引起的，從而削弱了柵極電場的影響。

圖8 (a) Ta2O5/ITO TFT的EPSC響應(VG=3 V，脈寬150 ms); (b) 不同激光強度下Ta2O5/ITO TFT的EPSC響應VG=3 V，脈寬150 ms)。Fig.8 (a) EPSC response of Ta2O5/ITO TFT(VG=3 V, pulse width=150 ms);(b)EPSC response of Ta2O5/ITO TFT under different laser intensities(VG=3 V, pulse width=150 ms).

4 結 論

本文探究了激光對Ta2O5/ITO TFT電學性能的影響，在沉積半導體層和電極之前，采用飛秒激光對Ta2O5絕緣層薄膜進行照射處理。研究發現，隨著激光強度的提高，Ta2O5/ITO TFT的開態電流增加，閾值電壓負向漂移，并且，晶體管的興奮性后突觸電流(EPSC)隨著激光強度的增強而增加。XPS測試表明，激光照射可以調控Ta2O5薄膜中氧空位的含量，進而調節了載流子濃度。本文提出了一種簡單、快速、低溫的方式調控晶體管性能，為今后基于固態電解質金屬氧化物薄膜晶體管的更加廣泛應用奠定了基礎。