多孔SiO2為柵介質的IGZO基雙電層薄膜晶體管

臨沂大學物理與電子工程學院 崔勝戰 張健豪 王曉新 闕怡涵 馬卓杰 杜路路

薄膜晶體管的低電壓操作一直是研究者期待解決的問題。雙電層電容具有巨大的電容，被認為是低功耗電子器件有希望的候選材料。我們以磁控濺射技術沉積多孔SiO2固態電解質薄膜為介質層，制備了銦鎵鋅氧（InGaZnO：IGZO）基雙電層薄膜晶體管（EDLT）。多孔SiO2薄膜表現出大的雙電層電容（0.2μF/cm2），具有大的柵極調控作用。因此，IGZO基EDLT可以工作在<1V的柵極電壓下。

以銦鎵鋅氧InGaZnO（IGZO）為代表的氧化物半導體具有寬帶隙（3.4eV）、高載流子遷移率、對可見光透明、可大面積均勻成膜、以及可低溫甚至室溫成膜（因而可在柔性襯底上制備）等特點，因此對柔性、透明、和可穿戴電子特別有利。基于IGZO的薄膜晶體管在平板顯示器上已經得到了商業化應用，但是目前主要的挑戰是功耗大。雙電層薄膜晶體管（EDLT）由于其電解質具備豐富的可移動離子，在外加柵壓的作用下，可移動的離子發生定向漂移，在柵電極/電解質和電解質/半導體的界面積累，形成雙電層（EDL）。EDL的厚度～1nm，因此具備極高的雙電層電容，通常>1uF/cm2。有效增強了柵調控能力，降低晶體管的功耗。最近，溶液處理的離子液體/凝膠和聚合物電解質，以及氧化物基固態電解質（SiO2，Al2O3）已被用于降低TFT的工作電壓。然而，溶液態的電解質材料往往形狀難以控制，通常需要光刻或者印刷工藝。與離子液體/凝膠和聚合物電解質相比，基于氧化物的固態電解質具有許多優勢，例如可控的形狀和厚度以及高穩定性。固態多孔SiO2電解質近幾年得到廣泛研究，但是大多數采用等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD），通常需要高成本和消耗時間比較長（高真空和低沉積速度）。比如，南京大學萬青教授課題組使用PECVD沉積多孔SiO2制備了IGZO EDLTs，實現了高性能，例如1.0V的低工作電壓、<80mV/dec的低亞閾值擺幅以及～106的高開關比。然而制備成本相對較高且大面積不兼容。

在這篇文章中，我們制備了基于IGZO的EDLT，其介質層為射頻磁控濺射法沉積的多孔SiO2固態電解質薄膜。我們用原子力顯微鏡（AFM）和掃描電子顯微鏡（SEM）研究了SiO2介質層的表面形貌結構和橫截面結構特征；用電學性能測試系統，研究了SiO2介質薄膜的電容特性和擊穿特性。研究結果表明，SiO2薄膜具有多孔結構，并且可以形成巨大的雙電層電容。此外，基于SiO2固態電解質制備的IGZO基EDLT顯示出<1V的低操作電壓和可以接受的開關比～5×104（Vgs:-3V～3V）。

1 實驗

我們制備了一個底柵頂接觸的IGZO基EDLT。首先，選用重摻雜P型硅作為襯底和柵電極材料，依次使用迪康、去離子水、丙酮、乙醇超聲清洗，并用N2吹干；其次，使用射頻磁控濺射法沉積150nm厚SiO2薄膜作為介質層，其中濺射功率為60W，氬氣流速為40sccm；再次，使用磁控濺射技術在室溫下沉積24nm厚的IGZO層作為有源層；最后，使用電子束蒸發沉積Ti/Au（50/20nm）作為源/漏電極。有源層長和寬分別為60和2000μm。使用掃描電子顯微鏡（SEM,FEI Nova NanoSEM 450）測試濺射SiO2的橫截面結構。使用原子力顯微鏡（AFM,Dimension FastScan?）測試濺射SiO2的表面形貌。SiO2薄膜和IGZO基EDLTs器件的電學特性選用電學測試系統（Agilent B2902A和Keysight E4980A LCR meter）測試。

2 結果分析與討論

圖1(a)顯示磁控濺射沉積SiO2薄膜的AFM圖，分析顯示其均方根（RMS）表面粗糙度為1.78nm。圖1(b)顯示熱氧化SiO2薄膜表面的AFM圖，其RMS粗糙度為0.26nm。結果表明，磁控濺射沉積SiO2薄膜RMS粗糙度比熱氧化SiO2大的多。圖1(c)所示為磁控濺射沉積SiO2截面的SEM圖，圖中顯示SiO2厚度約為150nm，形貌呈現出多孔結構，該多孔結構有助于吸收水分，促進H+在SiO2薄膜中的移動。薄膜呈現出的多孔結構，可能是由于在濺射過程中，低功率和大的氣體流量導致濺射粒子沒有足夠的能量自組裝形成致密的薄膜。

圖1 (a)磁控濺射SiO2薄膜 (b)熱氧化SiO2薄膜表面的AFM圖 (c)濺射SiO2薄膜橫截面的SEM圖

為了測試濺射多孔SiO2薄膜的電學特性，制備了Ti/濺射SiO2/Si結構如圖2(a)插圖所示。圖2(a)中黑色線所示為電容-頻率特性，結果顯示在頻率為100Hz時，電容為0.2μF/cm2，且電容隨著頻率增大而逐漸減小。低頻時大電容主要是由于多孔SiO2薄膜吸附的H2O被電離成H+和OH-，在電場的作用下，移動到界面處，形成雙電層，表現出大電容特性。隨著頻率增大，電容減小，主要是受質子移動速度的影響。圖2(a)中藍色曲線所示為相位角-頻率特性曲線，結果顯示：當f<3×105Hz時，相位角<-45o，顯示出電容特性；當f>3×105Hz時，相位角>-45o，顯示出電阻特性，主要是由于頻率太高，H+來不及移動，無法形成雙電層電容。圖2(b)所示為濺射SiO2薄膜的擊穿特性曲線，薄膜表現出一個軟擊穿特性，在電壓約為45V時，薄膜被擊穿，原因尚不清楚。

圖2 磁控濺射SiO2薄膜的電容-頻率特性和相位角-頻率特性(a)和濺射SiO2薄膜的擊穿特性(b)

圖3(a)所示為底柵頂接觸IGZO基EDLT的結構示意圖。圖3(b)為IGZO基EDLT的轉移特性曲線圖，其源漏電壓為3V，柵壓掃描范圍為-3V～3V，器件開關比～5×104。同時，圖3(b)表現出一個逆時針的滯回曲線，主要是由于多孔SiO2介質層中離子移動造成的。圖3(c)為IGZO基EDLT的輸出特性曲線，結果表明，在Vgs<1V的操作電壓下，器件達到飽和電流，這主要是由于大的雙電層電容具有較強的柵極調控作用。

圖3 IGZO基EDLT的器件結構圖(a)、轉移(b)、和輸出(c)特性曲線圖

3 結論

本文通過工業兼容的射頻磁控濺射技術成功沉積了多孔SiO2固態電解質薄膜材料，并且以多孔SiO2薄膜為介質層制備了IGZO基EDLTs。多孔SiO2薄膜可以形成大的雙電層電容，具有較強的柵極調控作用。因此，IGZO基EDLTs表現出一個較好的電學特性，其可以在<1V的操作電壓下工作，并且表現出一個可以接受的開關比。