鎵摻雜對氧化鋅薄膜晶體管性能的影響

高悍津，高曉紅，孫玉軒，王森，張子博，楊晨

（吉林建筑大學 電氣與計算機學院，吉林長春，130000）

0 引言

氧化鋅（ZnO）作為現階段最受歡迎的薄膜晶體管(Thin Film Transistor, TFT)有源層材料，具有諸多優點，如成份簡單，帶隙寬，低溫生長，均勻性好，價格低，綠色環保，儲量豐富等[1]。通過研究發現對氧化鋅摻雜合適的金屬離子，可以改善薄膜質量，提高器件性能。例如，Ravi Kant等人選擇鋁（Al）和錳（Mn）[2]，X. Ding等人選擇鎂（Mg）[3]，L Xu等人選擇鉿（Hf）[4]分別作為氧化鋅的摻雜元素，以及選擇氧化鋅中摻雜銅（Cu）、錳（Mn）、釔（Y）等元素中的楊功勝[5]周佩佩[6]，選擇銦-鎵（In-Ga）、銦-鋁（In-Al）共摻雜的張杰[7]等制備出的摻雜氧化鋅器件在薄膜質量和電學性能上與純氧化鋅相比均有所提高。

本文選擇鎵（Ga）作為氧化鋅的摻雜元素，可以實現利用金屬離子特性抑制純ZnO-TFT有源層中氧空位等本征缺陷提升薄膜質量，實現載流子調控[8]。Ga-O鍵和Zn-O鍵的鍵長分別為1.92 ?、1.97 ?，非常接近，即使在摻雜濃度很高的情況下晶格畸變也比較小。同時，鋅離子被作為雜質的鎵離子取代，室溫下會在導帶中釋放一個自由電子，可以有效的提高器件的電導率，提高器件性能。綜上，本文選擇鎵作為氧化鋅的摻雜元素來制備氧化鋅摻雜鎵薄膜晶體管。

1 實驗

實驗采用美國Kurt J.Lesker公司生產的PVD75型磁控濺射設備，在室溫下沉積GnZnO (GZO)薄膜，使用表層有厚度為100nm SiO2絕緣層的p型Si襯底作為基片。將基片打磨漏出柵極后，分別使用丙酮、無水乙醇、超純水進行超聲清洗，除去表面雜質。將基片置于磁控濺射設備腔室中室溫沉積GZO薄膜，沉積條件見表1。沉積完成后采用濕法光刻進行有源層圖案化。最后采用亮杰公司生產的EB-420型電子束蒸發設備蒸鍍50nm厚度的鋁作為器件的源、漏電極。利用光刻—剝離技術對電極進行剝離。圖1為GZO-TFT器件結構示意圖，溝道長度、寬度分別為10mμ、300mμ。

表1 GZO薄膜沉積條件

圖1 GZO-TFT器件結構示意圖

2 結果與分析

■ 2.1 表面形貌分析

為了了解薄膜表面形貌，我們使用了英國Oxford公司生產的MFP-3D型原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope,AFM)和日本電子株式會社（JEOL）生產的JSM-7610F型掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)，觀 測 了ZnO、GZO薄膜的表面形貌。圖2(a)、圖2(b)分別是ZnO和GZO薄膜的原子力顯微鏡(AFM)圖像，薄膜表面粗糙度分別為 941.248pm、605.588pm。與ZnO薄膜相比，GZO薄膜的表面形貌較為平整，表面粗糙度更低。由此可見，鎵的摻雜能夠改善ZnO薄膜的表面粗糙度。

圖2

圖3(a)、圖3(b)分別是使用掃描電子顯微鏡觀測到的放大5萬倍的ZnO和GZO薄膜的表面形貌圖。與ZnO薄膜相比，GZO薄膜晶粒更為均勻、致密，沒有針孔、裂紋以及團簇現象的發生，薄膜質量有所改善。圖4(a)、圖4(b)是薄膜剖面圖，標尺為100nm，測得薄膜厚度分別為36.5nm和33.7nm，呈柱狀生長。

圖4

■ 2.2 TFT器件分析

使用 Keysight公司生產的B1500A半導體參數分析儀測試GZO-TFT的電學性能。圖5(a)、圖6(a)是GZO-TFT以及ZnO-TFT的輸出特性曲線，從圖中可以看出此器件為n溝道增強型器件，具有良好的飽和特性。意味著柵極電壓(VGS)能夠很好地控制源漏電流(IDS)，即當VGS固定時，隨著VDS增加，IDS逐漸趨于飽和，且IDS大小于VDS無關，只于VGS大小相關。飽和特性是晶體管的必要性質。同時，相比于ZnO薄膜晶體管，鎵摻雜的ZnO薄膜晶體管的飽和電流有所提升。器件的開啟電壓大概出現在VGS=-15V，VGS=1V時。通過器件輸出曲線也可以看出，在源漏電壓較低時，也并未發現電流擁擠效應，表明器件中有源層和鋁電極形成了良好的歐姆接觸[5,6]。

圖6

圖5(b)、圖6(b)是GZO-TFT以及ZnO-TFT在一定的源漏電壓（VDS=15V）下測得的轉移特性曲線以及VGS-VGS1/2曲線，此時TFT工作在飽和區。源漏電壓固定在15V，隨著VGS從-20V增大到40V，器件逐漸從關態到達開態。從圖中看出，器件的關態電流都在10-10A數量級左右，閾值電壓分別為6.0V、18.2V，亞閾值擺幅分別為2.91V·dec-1、3.56V·dec-1，開關電流比分別為1.04×106、2.73×105，遷移率分別為3.14cm2·V-1s-1、1.12cm2·V-1s-1。其電學性能參數見表2。

表2 TFTs電學性能參數

GZO-TFT的飽和遷移率（satμ）由式（1）確定：

式中 μsat單位是 cm2· V-1s-1， Ci是單位面積柵絕緣層電容，W是器件溝道寬度，L是器件溝道長度，式（2）中k是IDS1/2-VGS線中對應的斜率[9]。亞閾值擺幅SS的計算公式由式（3）確定，是分析缺陷態密度的一個重要參數：

亞閾值擺幅單位是V·dec-1，表示IDS提升一個數量級VGS的變化量[1]。亞閾值擺幅與界面態陷阱密度（Nit）有關，界面態陷阱密度（Nit）由式（4）確定：

式中Nit單位是cm-2eV-1在，q是電子電荷，kB是玻爾茲曼常數，T是測量溫度[1]。

3 結論

通過磁控濺射設備沉積純ZnO薄膜以及GZO薄膜，并成功制備出了GZO薄膜晶體管，使用AFM和SEM表征了純ZnO薄膜和GZO薄膜，觀測了其表面形貌、粗糙度以及剖面圖。通過比較得出，相比于純ZnO薄膜，氧化鋅摻雜鎵（Ga）之后的薄膜表面形貌較為平整，粗糙度較低，薄膜表面晶粒致密，結膜質量有所改善。同時，氧化鋅摻雜鎵（Ga）作為有源層，對器件的各方面性能參數也有所改善，如開關電流比提高、亞閾值擺幅減小、載流子遷移率提高等。