濺射功率對鎢摻雜ZnO薄膜晶體管性能的影響

李慧，楊小天，王艷杰，2*，王超，2，楊帆，2，聶曉淵

（1.吉林建筑大學電氣與計算機學院吉林省建筑電氣綜合節能重點實驗室，吉林 長春 130118；2.吉林建筑大學 寒地建筑綜合節能教育部重點實驗室，吉林 長春 130118；3.吉林師范大學，吉林 四平 136099）

1 引言

由于薄膜晶體管（TFT）在有源矩陣顯示器、射頻識別標簽、大面積傳感器和計算機［1］等電子市場的廣泛應用［2］，人們對TFT進行了大量的研究工作。與非晶硅和多晶硅薄膜晶體管相比，金屬氧化物半導體具有低成本、高透明、高遷移率和大面積均勻性等優點，使其成為最有前途的薄膜晶體管溝道層材料之一［3］。

氧化鋅（ZnO）具有高的化學永久性、寬的直接帶隙（Eg～3.37 Ev）、低廉的價格、不具毒性、易光刻加工，且在H等離子體中穩定的優異性能［4］，因此以ZnO為代表的金屬氧化物半導體作為TFT溝道層引起國內外學者的廣泛關注。但是ZnO存在氧空位和鋅間隙等本征缺陷［5］，嚴重影響了TFT的性能。為解決這一問題，研究者通常引入摻雜元素［6］。常見的摻雜有鋁（Al）、銦（In）［7］、鎵（Ga）、錫（Sn）［8］、鉬（Mo）和 鎢（W）等，其中Al、In和Ga均屬于低價態摻雜［9］，Mo和W屬于高價態摻雜。高價態元素的摻雜可以在保證一定載流子的情況下，降低摻雜的含量，減少雜質散射，改善載流子遷移率，其中高價態元素鎢（W）摻雜ZnO（WZO）薄膜受到了許多研究者的關注。但是關于WZO薄膜晶體管方面的報道還比較少，因此，以WZO薄膜為溝道層制備高性能的薄膜晶體管器件具有重要的研究意義。

本文通過使用射頻磁控共濺射沉積WZO溝道層材料制備TFT，改變沉積過程中W的濺射功率，探究W的濺射功率對WZO薄膜微觀結構、表面形貌的影響，以及對WZO-TFT光學和電學性能的影響［10］，期望得到高開關比、高透過率和高遷移率的WZO-TFT。

2 實 驗

本實驗使用負膠工藝在P型Si襯底上用射頻磁控共濺射法沉積WZO薄膜，通過電子束蒸鍍制備WZO-TFT器件。

2.1 WZO薄膜的制備

將1.5 cm×1.5 cm的Si襯底依次用丙酮、酒精和去離子水各超聲清洗15 min，用氮氣吹干，通過旋涂、光刻和顯影進行圖案化處理。將純度 為99.99%的ZnO靶 材 和99.99%的W靶材放置于PVD75型號磁控濺射設備進行共濺射，濺射氣體為氬氣和氧氣，其流量比為95∶5。ZnO的濺射功率150 W，沉積壓強為1.07 Pa，沉積時間為15 min。在室溫條件下，改變W的濺射功率，依次為1，2，3，4，5 W，分別濺射鍍膜得到相對應的WZO薄膜樣品。

2.2 WZO-TFT的制備

將制備的WZO薄膜依次用丙酮、酒精和去離子水各超聲清洗15 min，用氮氣吹干，進行圖案化處理，再采用電子束蒸發技術沉積50 nm的鋁作為源、漏電極。電極生長結束后，將其依次放置于丙酮、酒精和去離子水中剝離10 min。得到WZO-TFT，如圖1所示。

圖1 WZO-TFT結構示意圖Fig.1 Structure schematic of WZO-TFT

利用D8 Discover型X射線衍射（XRD）對薄膜的結構特性進行表征，JSM-7610F型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察薄膜表面形貌，UV-2600型紫外可見分光光度計分析薄膜的光學性能，B1500半導體參數分析儀分析器件的電學性能［11］。

3 結果討論

3.1 微觀結構分析

表1是通過Jade軟件進行估算得到的不同濺射功率下WZO薄膜的晶粒尺寸和半峰全寬（FWHM）。從表1可以看出，濺射功率為2 W時的薄膜結晶質量最好，晶粒尺寸最大為12.9 nm，半峰全寬為0.654°。

表1 不同濺射功率下WZO薄膜的微觀結構參數Tab.1 Microstructure parameters of WZO thin films under different sputtering power

圖2為不同濺射功率下制備的WZO薄膜的XRD圖譜，所有的WZO薄膜有明顯的（002）衍射峰，這意味著其晶體結構為六角結構，c軸垂直于襯底［12］。從圖2可以發現，衍射峰基本都在34°～35°之間的位置［13］，非常接近于34.29°，此外沒有其他的衍射峰，這個標準的ZnO晶體峰表明W取代了六方結構中的Zn［14］。隨著濺射功率的增大，（002）峰的強度先增大后減小，半峰全寬先減小后增大。這是因為濺射功率增加，濺射的粒子能量變大，沉積在襯底時會有較強的擴散能力，有利于WZO薄膜晶粒的生長。但是隨著濺射功率的持續增大，W靶材濺射出的粒子增多，到達襯底時還沒來得及擴散到合適的位置就被后到達的粒子所覆蓋，破壞了已經沉積的WZO薄膜，影響晶粒的生長，導致薄膜結晶度變差。

圖2 不同濺射功率下WZO薄膜的XRD圖Fig.2 XRD patterns of WZO thin films under different sputtering power

3.2 表面形貌分析

圖3為不同濺射功率下制備的WZO薄膜的SEM顯微圖，放大倍數為100000倍。從圖3可以看出，當濺射功率為1 W時，WZO薄膜晶粒致密均勻，此時濺射功率小，薄膜的生長速度慢，濺射到襯底上的WZO粒子有充分的時間擴散到合適的位置；隨著濺射功率的增大，粒子的能量增大，擴散能力增強，使得WZO薄膜的晶粒尺寸增大，表面更加平整均勻；當W的濺射功率進一步增大時，濺射粒子的平均自由程減小，導致濺射粒子損失了較多的能量，濺射的粒子會破壞已經沉積的WZO薄膜，WZO薄膜的表面缺陷增多，晶粒尺寸減小。

圖3 不同濺射功率下WZO薄膜的SEM圖。（a）1 W；（b）2 W；（c）3 W；（d）4 W；（e）5 W。Fig.3 SEM images of WZO films under different sputtering power.（a）1 W；（b）2 W；（c）3 W；（d）4 W；（e）5 W.

3.3 WZO-TFT器件分析

圖4 為不同濺射功率下制備的WZO-TFT的輸出特性曲線和轉移特性曲線。從圖4可以看出，隨著柵壓VG增大，源漏電流先增加后趨向于飽和，說明該器件是N溝道場效應晶體管，并且工作在增強型模式下。在源漏電壓VD較高時出現飽和區，意味著器件具有夾斷特性；在源漏電壓較低時存在線性區，說明器件有良好的歐姆接觸。當W的濺射功率為2 W時，電流ID是6.65 μA，器件的輸出特性最好。當濺射功率為5 W時，電流ID是7.21 nA，器件的輸出特性最差。圖4（f）為漏電壓VD=20 V時不同濺射功率下的WZO-TFT的轉移特性曲線，可以看出當濺射功率為2 W時，開關比最大，開態電流最大為9.05×10-6A。隨著濺射功率的增大，器件的開關比減小。

圖4 不同濺射功率下WZO-TFT的輸出特性曲線和轉移特性曲線。（a）1 W下的輸出特性曲線；（b）2 W下的輸出特性曲線；（c）3 W下的輸出特性曲線；（d）4 W下的輸出特性曲線；（e）5 W下的輸出特性曲線；（f）轉移特性曲線。Fig.4 Output characteristic curves and transfer characteristic curves of WZO-TFT under different sputtering power.（a）Output curves at 1 W；（b）Output curves at 2 W；（c）Output curves at 3 W；（d）Output curves at 4 W；（e）Output curves at 5 W；（f）Transfer characteristic curves of WZO-TFT.

表2為WZO-TFT的電學性能參數，可以發現當濺射功率增加到2 W時，器件的開關比為5.24×105，載流子遷移率從0.041 cm2/（V·s）增加到0.157 cm2/（V·s），閾值電壓降低為16.89 V。隨著濺射功率進一步增加，器件開關比和載流子遷移率逐漸降低，在濺射功率為5 W時，載流子遷移率最小。這主要是由于濺射功率增加，薄膜厚度增大，缺陷增多，載流子運動過程中會發生散射現象，導致載流子遷移率降低，器件的性能變差。

表2 W的不同濺射功率制備的WZO-TFT性能參數Tab.2 WZO-TFT performance parameters prepared by W under different sputtering power

3.4 光學特性分析

圖5顯示的是在波長200～1400 nm范圍內W的不同濺射功率下制備的WZO薄膜的光學透射光譜。從圖5可以看出，在200～1400 nm波長范圍內，沉積的WZO薄膜具有高的透過率，在可見光400～600 nm范圍內的平均透過率超過90%。隨著濺射功率的增加，薄膜的透過率降低，主要是由于濺射功率增大，薄膜的厚度也增大，影響WZO薄膜的光透過率。此外，在紅外區域［15］，WZO薄膜的平均透過率在80%左右。薄膜的透過率有所下降并出現波動，主要是由于薄膜表面顆粒不均勻，界面反射效應引起干涉效應［16］。

圖5 不同濺射功率下的WZO薄膜的光學透射率曲線Fig.5 Optical transmittance curves of WZO films under different sputtering power

4 結論

本文采用射頻磁控濺射法在P型Si襯底上制備了W摻雜ZnO薄膜晶體管，研究W的濺射功率對WZO薄膜晶體管電學和光學性能的影響，并對WZO薄膜進行表征。結果表明，W的濺射功率為2 W時，器件的綜合性能最佳，電流開關比達到105，閾值電壓16.89 V，載流子遷移率為0.157 cm2/（V·s），薄膜在可見光波長下的平均透過率90%左右，且薄膜的結晶度較好，表面更加致密平整。