溝道長寬比對AZTO-TFT 電學性能的影響

荊衛松 王 超 鄧 洋 楊 帆 賈明瑞

（吉林建筑大學電氣與計算機學院 長春 130118）

引言

進入21 世紀以來，隨著移動互聯網的發展智能手機、電子手表和其他便攜式電子設備大量的走進普通人的生活中，并且由于影視動漫等娛樂產業的快速發展，對顯示設備的顯示性能有了更高的要求，例如需要設備擁有更高的刷新率，更快的動態響應能力等。薄膜晶體管作為顯示面板的開關和驅動器件也需要有更好的電學性能。而傳統硅基材料，如單晶硅和非晶硅（a-Si：H）發展至今由于穩定性較差，載流子遷移率較低等問題，難以滿足當下對器件性能日益提高的需求。以IGZO、IZO 等材料為有源層制備的薄膜晶體管具有相對優異的電學性能，但其中如In 和Ga 等元素具有毒性，不僅對人體有一定危害，一旦被丟棄到自然界中會對土地與河流造成污染。其中的摻雜元素多為稀有元素，而我國相關稀有元素儲量較少，因此研究發展相關材料的成本較高。而采用儲量更豐富價格更低的元素，制備薄膜晶體管則能極大地降低規模化生產成本[1]。

由于Al 和Ga 的原子結構類似，最外層同樣具有3個電子，并且Al 與O 原子的結合能相對較高，有助于提高沉積的薄膜的質量。Al 的摻入也可以極大的提高對ZTO 薄膜中載流子濃度的控制作用，而Sn 與In 的質量相差無幾，且半徑接近具有較好的替代性。所以采用AZTO 來代替IGZO 作為薄膜晶體管的有源層，不僅能減少稀有元素的使用，同時還具有較好的材料性能[2]。

因此本文研究采用較低成本的有源層材料，在硅襯底上制備出不同溝道寬度的薄膜晶體管，并對薄膜晶體管進行了電學性能的測試和薄膜質量的表征，研究溝道尺寸對AZTO 薄膜晶體管電學性能的影響。

1 實驗

1）前期工作：本文以P 型硅片作為襯底，將其切割為2 cm×2 cm 的正方形，并用打磨機磨掉表面的層露出Si 作為TFT 的柵電極，然后放入燒杯中倒入丙酮直至淹沒硅片，并用聚乙烯薄膜封住然后放在超聲波清洗機中清洗10 min，隨后將廢液倒出再用酒精和去離子水進行清洗每次10 min，最后用氮氣吹干襯底上殘余的水。

2）有源層薄膜制備：本文中使用的有源層濺射靶材為AZTO 復合靶，其摻雜比為ZnO ∶Al2O3∶SnO2=58 ∶2 ∶40。有源層薄膜制備采用反膠工藝，首先使用勻膠儀在硅片上旋涂一層光刻膠，隨后在90 ℃的溫度下烘干5 min，然后進行光刻曝光為3 s，放入干燥箱90 ℃干燥5 min，再在光刻機喜愛進行3 s 的裸曝，放入顯影液中進行5 s 顯影，隨后放入磁控濺射設備（設備型號為PVD75）在室溫下制備AZTO 薄膜。其濺射功率為100 W，濺射時間為15 min，氬氧比為98 ∶2，濺射壓強為8 mTorr。最后用丙酮、酒精、去離子水、重復上述清洗步驟對薄膜進行清洗。

3）電極生長：在硅片上使用勻膠儀旋涂一層光刻膠，然后放入烘干箱內烘干，利用光刻機使源漏電極圖形化，然后進行顯影，隨后將硅片放入EB420 型電子束蒸鍍設備中蒸鍍電極，最后采用丙酮、酒精、去離子水同上述清洗步驟進行清洗。

圖1 10 um 溝道顯微鏡照片

圖2 20 um 溝道顯微鏡照片

圖3 30 um 溝道顯微鏡圖片

4）性能測試和表征：采用原子力顯微鏡（Atomic force microscopy，AFM）分析薄膜表面形貌和薄膜粗糙度、紫外-可見分光光度計（型號：UV-2600）測試器件的可見光透過率、半導體參數儀（Semiconductor Parameter Analyzer）對器件的電學性能進行測量分析。

2 實驗結果

2.1 器件電學性能分析

圖5為不同溝道寬度的AZTO-TFT的轉移特性曲線，從圖中曲線可以明顯看出，溝道寬度的不同會對TFT 的電學性能產生影響。隨著溝道寬度的減小，器件的轉移曲線在整體上移，器件的漏極電流隨著柵極電壓的增大會整體提高。

圖4 40 um 溝道顯微鏡圖片

圖5 不同溝道寬度的轉移特性曲線

圖6 AZTO 薄膜的XRD 衍射圖譜

表1為不同溝道寬度的AZTO-TFT的電學性能參數，從載流子遷移率、閾值電壓、亞閾值擺幅、開態電流、電流開關比，五個方面綜合描述薄膜晶體管器件的電學性能。

表1 不同溝道寬度的AZTO-TFT 的電學性能

器件的開關比定義為器件開態電流與關態電流的比值，用于衡量柵極對導電溝道的控制能力，電流開關比越高表示柵極對溝道的控制能力就越強，開關比越低表示柵極對導電溝道的調控能力越弱。從表中很明顯看出，當溝道寬度為10 um 時器件的電流開關比最高為，隨著導電溝道寬度的逐漸增大，其閾值電壓是逐步降低的。考慮溝道的寬度和長度：溝道的長度反映了載流子在遷移過程中被界面隙態捕獲的幾率，溝道越長載流子被捕獲的幾率越大，而寬度方向反映了載流子在遷移過程中躲避捕獲的概率，溝道越寬載流子被捕獲的概率越小。因此溝道的長寬比越小（溝道越寬）TFT 的閾值電壓就越大。而載流子遷移率主要是受到有源層材料和氧空位以及界面態等因素的影響，當溝道寬度變化時其載流子遷移率幾乎不會受到影響[3]

從AZTO 薄膜的XRD 表征中可以看出，薄膜僅在處存在衍射峰，此衍射峰屬于硅襯底（400）面的衍射峰，表明濺射的AZTO 薄膜屬于非晶結構。

從圖7 的AFM 表征圖中可以看出，在100 W 的濺射功率，氬氧比98 ∶ 2，濺射時間為15 min 的條件下，薄膜表面較為光滑平整，粗糙度較低沒有過多的尖峰和凹陷。表明薄膜界面缺陷較小，薄膜質量較高，經過測量其粗糙度均方根值為591.062 pm。相對平整的薄膜有利于源漏電極與有源層建立良好的歐姆接觸，對其電學性能的改善有較大影響[4,5]。

圖7 AZTO 薄膜AFM 表征圖

圖8 為以藍寶石玻璃為襯底，制備的AZTO 薄膜在可見光范圍內的光透過率曲線，光透過率也是作為薄膜性能表現的一個重要參數，采用光透過率較高的薄膜制備的薄膜晶體管可用于制造透明顯示面板[6]，從透過率曲線中可以明顯看出AZTO 薄膜在可見光范圍內（380 nm ～780 nm）的透過率達到90 %以上，具有良好的光透過性[7]。

圖8 AZTO 薄膜的光學透過率曲線

3 總結

本文通過磁控濺射法，在硅片上制備了不同溝道寬度的AZTO 薄膜晶體管，主要研究了溝道寬度對器件電學性能的影響。實驗結果表明：10 um 溝道相對于40 um溝道器件開關比提升了一個數量級。當柵極電壓一定時，開態電流則會隨著溝道寬度的縮小逐漸變大，即越窄的溝道寬度其開態電流越大。但閾值電壓則會隨著溝道寬度增加逐漸越小，這是由于隨著溝道寬度的增加，載流子在移動的過程中被界面捕獲的幾率減小，因此閾值電壓也相應減小。而載流子遷移率則幾乎不會受到溝道長寬比的影響。從AFM、XRD 的表征中看出溝道的寬度并不會對薄膜質量有影響。