网络首发时间: 2018-03-12 09:35
稀有金属 2019,43(01),61-66 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy18010038
有源层厚度对 InSnZnO薄膜晶体管的影响
杨浩志 李治玥 刘媛媛 孙珲 吕英波 刘超
山东大学(威海)超级计算中心
山东大学空间科学与物理学院
山东大学(威海)商学院
摘 要:
在室温下, 采用射频磁控溅射法制备了氧化铟锡锌 (ITZO) 薄膜作为薄膜晶体管 (TFT) 的有源层, ITZO薄膜厚度分别为16, 25, 36, 45和55 nm。采用X射线衍射仪 (XRD) 、扫描电镜 (SEM) 和紫外-可见光分光光度计测试分析了不同厚度ITZO薄膜的结晶情况、表面形貌及光学特性的变化规律, 并使用半导体特征测试仪表征了ITZO TFT的输出特性及转移特性, 研究了有源层厚度对ITZO TFT电学性能的影响。结果表明:不同厚度的ITZO薄膜均为非晶结构, 成膜致密, 薄膜在可见光范围内的平均透过率均高于85%。在界面态密度 (N
max s
) 和载流子浓度的共同影响下, 当有源层厚度为36 nm时, ITZO TFT电学性能最优。其场效应迁移率 (μ FE ) 为14.04 cm2 · (V·s) -1 , 开关比 (I on/off ) 为1×106 , 亚阈值摆幅 (S ) 仅有0.5 V·dec-1 。此外, 有源层厚度的增大可以削弱空气中水分和氧气对TFT的侵蚀, 提高器件的稳定性。因此可以通过改变有源层厚度来调控TFT的性能。
关键词:
射频磁控溅射 ;ITZO薄膜 ;薄膜晶体管 ;厚度 ;
中图分类号: TN321.5
作者简介: 杨浩志 (1989-) , 男, 山东潍坊人, 硕士研究生, 研究方向:材料模拟计算, E-mail:yang45hao@163.com; *刘超, 副教授;电话:15953889916;E-mail:liuchao@sdu.edu.cn;
收稿日期: 2018-01-22
基金: 山东省自然科学基金项目 (ZR2018QEM002); 山东大学 (威海) 青年学者未来计划资助;
Performance of InSnZnO Thin Film Transistors with Different Active Layer Thickness
Yang Haozhi Li Zhiyue Liu Yuanyuan Sun Hui Lü Yingbo Liu Chao
Supercomputing Center, Shandong University
School of Space Science and Physics, Shandong University
School of Business, Shandong University
Abstract:
InSnZnO thin film transistors (ITZO TFT) were prepared by radio frequency (RF) magnetron sputtering at room temperature. The thickness of ITZO films was 16, 25, 36, 45 and 55 nm. Their crystallinity, morphology and optical characteristics were investigated by X-ray diffraction (XRD) , scanning electron microscope (SEM) and ultraviolet-visible (UV-Vis) spectrophotometer. Meanwhile, the output characteristics and transfer characteristics of TFT were analyzed by semiconductor characterization system. The influence of the active layer thickness on the electrical performance of ITZO TFT was studied. The results showed that the ITZO films with different thickness were amorphous and compact; the average transmittance was over 85% for all the films. Under the combined effect of interface state density and carrier concentration, ITZO TFT exhibited optimal electrical characteristics when the ITZO active layer thickness was 36 nm. Its field-effect mobility (μ FE ) , on/off radio (I on/off ) and sub-threshold swing (S ) were 14.04 cm2 · (V·s) -1 , 1×106 and 0.5 V·dec-1 , respectively. Additionally, increasing the active layer thickness could weaken the erosion on the TFT by water and oxygen, then further enhance the device′s stability. Thus, the performance of TFT could be controlled by varying active layer thickness.
Keyword:
RF magnetron sputtering; InSnZnO (ITZO) thin films; thin film transistors (TFTs) ; thickness;
Received: 2018-01-22
随着电子信息行业的迅速发展, 薄膜晶体管 (TFT) 作为显示器中的重要元件, 受到科研人员的广泛关注
[1 ,2 ,3 ,4 ]
。 TFT的质量影响着显示器画面的分辨率及清晰度。 但要制备出稳定性好和具有优良电学性能的TFT, 其制备工艺仍需不断探索与尝试。 常见的a-Si TFT
[5 ]
存在迁移率低和需要氢化处理等问题; poly-Si TFT
[6 ]
沉积温度高和均匀性差等问题, 制约了Si基TFT的发展。 因此, 科研人员将目光投向金属氧化物TFT。 目前研究较多的金属氧化物有源层材料主要包括: In2 O3 -SnO2 -ZnO (ITZO)
[7 ]
, In2 O3 -ZnO (IZO)
[8 ]
, ZnO
[9 ]
及In2 O3 -Ga2 O3 -ZnO (IGZO)
[10 ]
。 Buchholz等
[11 ]
指出, 由In2 O3 , SnO2 和ZnO构成的ITZO材料具有高透过率、 电学特性优良等特点, 是制备全透明TFT极具潜力的材料。 然而, 到目前为止, 人们对ITZO有源层的研究多集中在溅射功率
[12 ]
、 反应气体
[13 ]
以及压强
[14 ]
的调控等方面, 尚未见有厚度对ITZO材料性能影响的研究。
本文采用射频磁控溅射工艺
[15 ]
, 制备了不同厚度的ITZO薄膜及相应有源层厚度的TFT。 对不同厚度薄膜的微观结构、 光学特性进行了分析, 并研究了有源层厚度对ITZO TFT性能的影响。
1 实 验
室温下, 采用MIS-500B超高真空磁控溅射设备, 制备了不同膜厚的ITZO有源层, 共分为15, 25, 35, 45和55 nm 5个实验组。 TFT截面示意图如图1所示, 该器件所采用的是底栅顶接触结构。 靶材为ITZO陶瓷靶 (纯度99.99%, 直径76 mm, 厚度为6 mm, In2 O3 ∶SnO2 ∶ZnO=88∶10∶2 (%, 质量分数) ) 。 衬底为具有200 nm SiO2 层的重掺杂p型<100>硅, 溅射气体Ar/O2 的流量固定在50/10 ml·min-1 , 溅射压强为0.6 Pa, 溅射功率为60 W。 TFT沟道宽长比为1500/1000 μm。 最后, 利用磁控溅射技术镀制90 nm 的ITO作为源漏电极。
ITZO薄膜厚度使用XP-1型台阶仪测量。 薄膜结构特性采用RIGAKU X射线衍射仪 (XRD) 和FEI扫描电镜 (SEM) 测量分析。 薄膜的光学特性采用Cary 100紫外-可见分光光度计测量。 ITZO TFT的转移特性和输出特性采用Keithley-4200 SCS半导体特征测试仪表征。
图1 ITZO结构示意图
Fig.1 Schematic structure of ITZO TFT
2 结果与讨论
制备了厚度分别为16, 25, 36, 45, 55 nm的五组ITZO薄膜样品, 并对上述薄膜样品进行了X射线衍射测试, 结果如图2所示。 不同厚度的ITZO薄膜样品的衍射图样与玻璃衬底基本一致。 没有明显的特征峰。 这表明随着ITZO薄膜厚度的变化, 薄膜的结晶性质没有发生变化, 所制备的ITZO均为非晶结构。
在可见光范围内 (380~780 nm) 测得了不同厚度的ITZO薄膜的透过率, 如图3。 当ITZO薄膜的厚度在16~55 nm之间变化时, 薄膜在可见光范围内均具有很高的平均透过率, 分别为97%, 94%, 91%, 87%和85%。 由于薄膜的透光率 (T %) 与薄膜厚度 (d ) 成负相关 (T =e-αd , 其中α 为吸收系数) , 膜层越厚, 薄膜对入射光的吸收越强烈。 因此, 薄膜在可见光范围内的透过率随着膜厚的增加而降低。
图2 不同厚度ITZO薄膜的XRD谱图
Fig.2 XRD patterns of ITZO thin films with different thicknesses
图3 不同厚度的ITZO薄膜透过率
Fig.3 Optical transmittance of ITZO thin films with different thicknesses
图4为不同厚度的ITZO薄膜的表面形貌图像。 图4 (a~e) 分别对应厚度为16, 25, 36, 45和55 nm的ITZO薄膜样品, 所有SEM图像的放大倍数均为10万倍。 由图4可知, ITZO薄膜成膜均匀致密, 薄膜表面均为颗粒状结构。 当ITZO薄膜厚度为16 nm时, 颗粒尺寸最小。 随着薄膜厚度由16 nm增至55 nm, 表面颗粒逐渐聚集成较大的颗粒。 这一变化规律在NZO
[16 ]
和ZnO
[17 ]
材料中同样存在。
图5所示为五组ITZO TFT的转移特性曲线, 其中, V GS 扫描范围为-20~20 V, V DS 固定在5 V。 由转移特性曲线可知, 有源层厚度为16 nm时对应的ITZO TFT电流开关比 (I on/off ) 最小; 此时, 曲线的斜率具有最小值, 反应了该器件有源层与栅电介质层之间缺陷较多。 当有源层厚度在25~55 nm时, 关电流 (I off ) 保持在1×10-10 A, I on/off 大于1×105 , 表明了有源层/源漏电极以及有源层/栅极电介质层没有漏电通道形成, 这也与有源层的非晶结构有一定关系。 为直观地比较有源层厚度对ITZO TFT电学性能的影响规律, 结合TFT转移特性曲线, 利用公式 (1) 和公式 (2) , 将TFT的场效应迁移率 (μ FE ) 、 阈值电压 (V th ) 和亚阈值摆幅 (S ) 计算并对比于表1:
g m = ? Ι D S ? V G S | V S D = C Ο Ν S Τ = W L C i μ F E V D S ( V D S < V D S a t ) ? ? ? ( 1 ) Ι D S = W 2 L C i μ F E ( V G S < V t h ) 2 ? ? ? ( 2 )
式中g m 为跨导, C i 为栅极单位面积的电容。 ITZO TFT的V th 随有源层厚度的增加呈现先减小后增大的变化趋势。 对于具有不同有源层厚度的TFT, 其V th 均小于0, 说明在该试验条件下, 所有的TFT器件均为耗尽型的工作模式。
器件的亚阈值摆幅S 值是从转移特性曲线上的最大斜率处提取出来, 对应I DS 变化一个数量级时所需的栅极电压增量ΔV GS 。 将S 值带入公式 (3) 可以得到TFT有源层/栅极电介质界面处的缺陷态密度 (N
max s
) , 其结果列于表1:
图4 不同厚度的ITZO薄膜SEM照片
Fig.4 SEM images of ITZO thin films with different thicknesses (a) 16 nm; (b) 25 nm; (c) 36 nm; (d) 45 nm; (e) 55 nm
图5 不同有源层厚度的ITZO TFTs转移特性曲线
Fig.5 Transfer characteristics curves of ITZO TFTs with different active layer thicknesses
Ν max s = ( S × l g e k Τ / q - 1 ) C i q ? ? ? ( 3 )
式中, k 为玻尔兹曼常数, T 为绝对温度, q 为元电荷的电荷量。
由表1可知, 随ITZO层厚度的增加, μ FE 先增大后减小, 在厚度为36 nm时达到最大值, 约为14.04 cm2 · (V·s) -1 。 另外, I on/off 随着厚度的增加先增大后减小, 除有源层厚度为16 nm的器件外, 其他器件的I on/off 均高于1×105 。 S 值整体呈现出先减小后增大的变化趋势, 16 nm时S 值较高, 为1.3 V·dec-1 ; 除此之外, 其他厚度所对应的ITZO TFT的S 值均低于0.6 V·dec-1 。 随有源层厚度增大, 薄膜结晶状况得到改善, TFT的N
max s
普遍降低, 分别为1.62×1012 (16 nm) , 0.71×1012 (25 nm) , 0.57×1012 (36 nm) , 0.71×1012 (45 nm) 和0.84×1012 (55 nm) cm-2 。
表1不同有源层厚度的ITZO TFTs电学性能参数
Table 1 Electrical properties of ITZO TFTs with different active layer thickness
Thickness/ nm
S / (V·dec-1 )
N max s / 1012 cm-2
I on/off
μ FE / cm2 · (V·s) -1
V th / V
16
1.3
1.62
104
0.65
-3.56
25
0.6
0.71
106
8.24
-9.77
36
0.5
0.57
106
14.04
-12.57
45
0.6
0.71
106
8.58
-8.29
55
0.7
0.84
106
7.76
-1.92
当ITZO有源层厚度为16 nm时, μ FE 的值最小, 仅有0.65 cm2 · (V·s) -1 。 当ITZO厚度为 16 nm时, 有源层厚度太薄, 氧空位数目最少, 载流子浓度最低, 因此TFT的I off 较低, 这同时也限制了器件的开电流 (I off ) , 导致I on/off 较小
[18 ]
。 同时当有源层较薄时, TFT的N
max s
值高达1.62×1012 cm-2 , ITZO/SiO2 界面的缺陷多, 载流子容易被俘获, 致使μ FE 较低。
当有源层厚度逐渐增至36 nm时, 器件的S 值不断减小, 表明有源层厚度的增加对界面有一定的修饰作用, 随着ITZO层厚度的增加, 薄膜的结晶状况得到改善, TFT中缺陷对载流子的俘获作用对器件性能的影响减弱。 TFT的V th 和I on/off 与器件中的氧空位数目及载流子浓度有关。 器件中的氧空位数目和载流子浓度随有源层厚度的增大而逐渐增多, 当部分载流子被俘获后, 仍有剩余的载流子用来传递电信号。 ITZO有源层越厚, 器件中的有效载流子的数目越多, 因此TFT的V th 减小、 I on/off 增大。 另外, 载流子浓度升高, 有源层内的费米能级的位置提高, 使导带尾的缺陷态被填充, 因此有源层厚度为36 nm的TFT的μ FE 增至14.04 cm2 · (V·s) -1
[19 ]
。
当有源层的厚度大于36 nm, ITZO TFT的μ FE 逐渐下降、 V th 增大。 这是因为, ITZO薄膜厚度增至45和55 nm时, TFT中ITZO/SiO2 的界面态密度略高于有源层厚度为36 nm的, 较高的界面态阻碍了载流子的输运。 同时, 有源层太厚的情况下, 器件中载流子数目过多, 大量的载流子在输运过程中相互碰撞, 会发生散射, 导致S 增大、 μ FE 降低, 器件的电学性能劣化。 因此当有源层厚度增至 55 nm时, TFT的迁移率降低至7.76 cm2 · (V·s) -1 。
实验选取了电学性能较好的四组 (有源层厚度分别为25, 36, 45和55 nm) ITZO TFT进行稳定性测试。 图6 (a~d) 所示为初始以及在空气中放置20 d后的转移特性曲线对比图。
由图6可知, 4组TFT在空气中静置20 d后, I on/off 均降低约一个数量级。 曲线的斜率没有明显的变化, 器件的S 值都保持在0.60 V·dec-1 以下。 V th 值均低于-2 V, 所有器件仍为耗尽型 (V th <0) , 但四组器件的V th 均出现了不同程度的正向漂移, 漂移量ΔV th 呈先增大后减小的变化趋势。 其中, 有源层厚度为55 nm时, ΔV th 最小, 低至1.07 V; 而有源层厚度为36 nm时, ΔV th 最大, 为12.51 V。 这是由于空气中的水分子和氧气在有源层表面发生吸附/脱附反应, 形成亚稳态的缺陷, 从而捕获载流子。 从空气中吸附的氧分子可能会扩散至有源层, 填补氧空位并氧化作为施主的Zn和Sn原子, 致使TFT中的载流子浓度和陷阱态密度均减小。 因此器件的初始|V th |越小, 以及有源层中的N
max s
越低, 器件越稳定; 另外, 有源层厚度的增大也有利于增强器件抵抗空气中水分和氧气侵蚀的能力, 提高TFT的稳定性。
图6 ITZO TFT在空气中静置20 d后转移特性曲线对比图
Fig.6 Time stability of ITZO TFT deposited in ambient atmosphere for 20 d (a) 25 nm; (b) 36 nm; (c) 45 nm; (d) 55 nm
3 结 论
采用射频磁控溅射法, 分别制备了厚度为16, 25, 36, 45及55 nm的ITZO薄膜及相应的ITZO TFT, 研究了厚度对ITZO薄膜结构、 光学特性的影响, 并测试分析了以ITZO为有源层的TFT的电学特性。 结果表明, 厚度对ITZO薄膜的结晶性质影响不大, 薄膜在可见光范围内平均透过率随膜厚增大而减小。 当有源层厚度比较薄时, ITZO TFT性能较差; 有源层厚度在25~55 nm之间时, ITZO TFT的电学特性好: 平均μ FE 约为10 cm2 · (V·s) -1 ; I on/off 均高于105 ; S 都在0.8 V·dec-1 以下。 其中有源层厚度为35 nm的TFT电学性能最佳。 此外, 初始|V th |和N
max s
低的器件稳定好, 增大有源层厚度有利于提高TFT稳定性。
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