有源層厚度對柔性AZO-TFT電學(xué)性能的影響

李 超 王 超 楊 帆 王艷杰

（吉林建筑大學(xué) 電氣與計算機(jī)學(xué)院 長春 130118）

引言

近年來，柔性電子和顯示器因其外型薄、重量輕、柔韌性好、運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)而受到越來越多的關(guān)注[1]。柔性薄膜晶體管（TFT）作為實(shí)現(xiàn)柔性電子產(chǎn)品的關(guān)鍵器件，適用于各種應(yīng)用，包括大面積柔性顯示器、電子紙、有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管[2,3]（AMOLEDs）。

非晶硅[4]（a-Si：H）和有機(jī)半導(dǎo)體材料[5]作為柔性薄膜晶體管常用的有源層材料因其過低的遷移率限制了其在大面積柔性顯示器上的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)[6-7]，氧化鋅基氧化物半導(dǎo)體的薄膜晶體管具有遷移率高、制備溫度低、與現(xiàn)有TFT制造技術(shù)相對兼容等優(yōu)點(diǎn)。特別是，銦鎵鋅氧化物[8-10]（Indium gallium zinc oxide，IGZO）TFT因其在低制備溫度下的高遷移率而備受關(guān)注。然而，銦是地球上的稀有元素，這使得它價格昂貴且不適合大規(guī)模生產(chǎn)。本次研究選擇了摻鋁氧化鋅作為薄膜晶體管的有源層。眾所周知，鋁在地球上含量豐富，對人體無害，大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)成本低，因此摻鋁氧化鋅（Al-doped zinc oxide，AZO）是目前最具前景的新型無銦氧化物半導(dǎo)體材料。

由于鋁比鋅具有更高的價和更小的離子尺寸，鋁可以取代鋅的位置，提供額外電子，從而提高氧化鋅薄膜的電導(dǎo)率，致使摻鋁氧化鋅薄膜常作為透明導(dǎo)電薄膜材料。近年來，隨著研究的進(jìn)一步深入，發(fā)現(xiàn)AZO也是一種很好的半導(dǎo)體材料[11-13]。Jang等人[14]將鋁的濃度降低到2 wt%，使AZO薄膜作為薄膜晶體管的有源層，制備出了開關(guān)電流比為104，場效應(yīng)遷移率為0.17 cm2/V·s的AZO-TFT。目前已有很多AZO-TFT的研究[15-17]，并取得了良好的光學(xué)和電學(xué)性能，但相關(guān)研究都是在剛性襯底上制備的。

本文結(jié)合當(dāng)今柔性顯示的熱點(diǎn)，采用射頻磁控濺射法在柔性聚酰亞胺（PI）襯底上制備了不同厚度的AZO薄膜，對不同厚度薄膜的生長情況、微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測試分析，同時制備了與之對應(yīng)有源層厚度的柔性AZOTFT，并研究了有源層厚度對柔性AZO-TFT電學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

本文制備的柔性AZO-TFT為底柵頂接觸結(jié)構(gòu),其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先將柔性襯底材料固定到清洗干凈的載玻片上，其中柔性襯底材料為聚酰亞胺（PI）；通過臺灣亮杰科技有限公司的EB-420電子束蒸發(fā)設(shè)備在PI襯底上蒸鍍一層100 nm厚的鋁作為薄膜晶體管的柵極；在柵極上通過磁控濺射法濺射一層300 nm厚二氧化鉿作為薄膜晶體管的絕緣層；再采用磁控濺射法制備薄膜晶體管的有源層，通過調(diào)控濺射時間改變薄膜晶體管有源層厚度，共分為5 min、10 min、15 min、20 min 4個實(shí)驗(yàn)組，其中靶材為ZnO陶瓷靶（純度99.99 %）和Al靶材（純度99.99 %），濺射功率為ZnO靶材100 W、Al靶材15 W，濺射氣體為Ar：O2= 95 : 5的混合氣體，工作氣壓為8 mTorr；在黃光光刻間對樣品進(jìn)行溝道刻蝕后，通過電子束蒸發(fā)設(shè)備蒸鍍一層50 nm厚的Al作為源漏電極，最后制備成柔性AZO-TFT器件。

AZO薄膜結(jié)構(gòu)特性和生長情況分別采用X射線衍射儀（XRD)、掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行了表征，同時利用半導(dǎo)體參數(shù)儀對柔性AZO-TFT的電學(xué)性能進(jìn)行了測試，并分析了有源層厚度對柔性AZO-TFT電學(xué)性能的影響。

2 結(jié)果與討論

制備了厚度分別為53 nm，62 nm，79 nm，94nm的四組AZO薄膜樣品，利用X射線衍射儀（XRD）對四組樣品進(jìn)行了測試，結(jié)果所示如圖2。當(dāng)薄膜厚度較薄時，未觀測到明顯的衍生峰，隨著AZO薄膜厚度的增加，在2θ=34.6 °處（002）面出現(xiàn)明顯特征峰。此峰值十分接近標(biāo)準(zhǔn)的ZnO晶體（34.45 °），出現(xiàn)這種情況很可能是由于鋁取代了晶格中鋅的位置所致。

薄膜的厚度對柔性襯底上制備的TFT電學(xué)性能有較大影響，圖3分別為濺射時長5 min、10 min、15 min、20 min下生長的AZO薄膜剖面，樣品（a），（b），（c），（d），的厚度分別為53 nm、62 nm、79 nm、94 nm，隨著濺射時間的增加AZO薄膜的厚度也逐漸變厚。

圖4為不同厚度AZO薄膜的表面形貌圖像。圖4 （a）～（d）分別對應(yīng)薄膜厚度為53 ～ 94 nm的AZO薄膜樣品，四組SEM圖像放大倍數(shù)均為5萬倍。由SEM圖像可知，當(dāng)AZO薄膜厚度為53 nm時，薄膜表面形貌較差，顆粒狀明顯，當(dāng)厚度增加到62 nm時，薄膜表面平整度得到改善，但存在缺陷和裂痕，隨著厚度增加到94 nm，薄膜的致密性和均勻性得到明顯提高，表面顆粒逐漸明顯，薄膜成膜均勻致密，沒有明顯的缺陷和裂痕。

圖5為不同厚度的AZO薄膜作為有源層時對應(yīng)薄膜晶體管器件的轉(zhuǎn)移特性曲線，其中，柵極電壓的掃描范圍為（-15 ～ 20）V，漏極電壓固定在8 V。由轉(zhuǎn)移特性曲線圖可知，有源層厚度對柔性AZO-TFT器件的開關(guān)特性有一定的影響，其中有源層厚度為79 nm的AZO-TFT器件的電流開關(guān)比（Ion/off）最大，有源層厚度為53 nm的AZO-TFT器件的開關(guān)電流比最小，所有器件的關(guān)態(tài)電流（Ioff）保持在1×10-8～1×10-10之間，開關(guān)電流比都大于1×104。

薄膜晶體管的電學(xué)特性參數(shù)主要包括以下4個：閾值電壓、遷移率、亞閾值擺幅、開關(guān)電流比。當(dāng)薄膜晶體管處于飽和狀態(tài)時，其電流和電壓通常滿足以下關(guān)系：

式中:

IDS—漏極電流；

μ—遷移率；

W—溝道寬度；

L—溝道長度；

Ci表示絕緣層單位面積的電容；

VGS—柵極電壓；

VTH—閾值電壓。

由公式（1）可以得到：

TFT的閾值電壓VTH是指當(dāng)有源層的費(fèi)米能級恰好進(jìn)入帶尾態(tài)時所對應(yīng)的柵極電壓，其數(shù)值上為IDS1/2-VGS曲線線性區(qū)的切線與X軸的交點(diǎn)即為VTH。

遷移率μ決定了電子在電場作用下的平均漂移速度，是衡量器件性能的重要參數(shù)之一。通過如下公式計算得出：

式中:

K—IDS1/2-VGS曲線線性區(qū)切線的斜率。

亞閾值擺幅SS是衡量TFT器件由關(guān)態(tài)到開態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū)域的具體特點(diǎn)，具體定義為IDS增加一個數(shù)量級所需要的最小ΔVGS，數(shù)值上為Log（IDS)-VGS曲線最大斜率的倒數(shù)：

式中：

SS—亞閾值擺幅。

它可以反映TFT從開啟到關(guān)斷的轉(zhuǎn)換速度，亞閾值擺幅越大則亞閾值區(qū)域的曲線越平緩，TFT在關(guān)斷和開啟之間轉(zhuǎn)換速度慢，因此我們通常希望亞閾值擺幅越小越好。

開關(guān)電流比Ion/off是器件處于“開態(tài)”和“關(guān)態(tài)”的電流輸出之比，它反映了器件的導(dǎo)通和閉合的能力。

由表1可知，μFE隨著AZO薄膜濺射時間的增長，先增大后減小，當(dāng)濺射時間為15 min即厚度增加到79 nm時，μFE最大，約為2.21 cm2·（V·s）-1。同時開關(guān)電流比Ion/off也隨著厚度的增加出現(xiàn)μFE同樣的變化趨勢，隨著AZO薄膜厚度的增大亞閾值擺幅先變小后變大。

表1 不同有源層厚度的AZO TFTs電學(xué)性能參數(shù)

當(dāng)AZO有源層厚度為53 nm時，μFE和Ion/off最小，出現(xiàn)這種情況是因?yàn)橛性磳雍穸忍。蹩瘴粩?shù)目較少，載流子濃度低[18]。同時當(dāng)有源層較薄時，薄膜表面均勻性較差，界面缺陷較多，致使μFE和Ion/off較低。

當(dāng)有源層厚度增加至79 nm時，薄膜表面得到一定的修飾，AZO薄膜成膜質(zhì)量得到改善，晶粒輪廓逐漸清晰，晶界減小，薄膜表面變得光滑致密，TFT中缺陷對載流子的俘獲作用對器件的性能影響減弱，器件中的有效載流子數(shù)目增多，因此TFT的Ion/off增大，SS減小，μFE增大。

當(dāng)有源層厚度大于79 nm時，AZO-TFT的μFE和Ion/off下降，SS增大。這是因?yàn)椋性磳雍穸仍黾樱d流子從源極注入后在源極、漏極附近需要穿過更厚的高電阻區(qū)[19]；同時載流子數(shù)目較多，在輸運(yùn)過程中相互碰撞，發(fā)生散射。

3 結(jié)論

通過磁控濺射法調(diào)控薄膜的濺射時間，分別制備了厚度為53 nm，62 nm，79 nm，94 nm的AZO薄膜及相應(yīng)的柔性AZO-TFT，研究了厚度對AZO薄膜結(jié)構(gòu)的影響，并測試分析了其對應(yīng)薄膜厚度的薄膜晶體管的電學(xué)性能。結(jié)果表明:當(dāng)薄膜厚度較薄時，薄膜表面均勻性和器件電學(xué)性能較差。隨著有源層厚度的增加，薄膜表面得到修飾，器件電學(xué)性能得到提升。但當(dāng)有源層厚度較厚時，源、漏電極附近的高阻區(qū)的導(dǎo)電路徑增加，影響載流子的傳輸，同時在載流子輸運(yùn)過程中也會增加碰撞的幾率，形成散射，導(dǎo)致柔性AZO-TFT器件電學(xué)性能下降。因此，同剛性襯底上制備的薄膜晶體管一樣，柔性襯底上制備的薄膜晶體管有源層厚度不應(yīng)太薄或太厚，合理選擇和確定有源層厚度有利于器件獲得更好的電學(xué)特性。在電學(xué)性能方面柔性襯底上制備的薄膜晶體管也能達(dá)到高性能，并且制備過程簡單，成本低廉，揭示了未來柔性顯示的潛力。