氧化锌薄膜晶体管的光诱导不稳定性*

王聪 刘玉荣，2† 李星活 苏晶 姚若河，2

(1.华南理工大学 电子与信息学院，广东 广州 510640;2.华南理工大学 广东省短距离无线探测与通信重点实验室，广东 广州 510640;3.汕尾职业技术学院 电子信息系，广东 汕尾 516600)

随着显示技术的日益发展，平板显示器已逐步取代传统的阴极射线管显示器(CRT)而成为当今显示器市场的主流产品.平板显示器通常包括场发射平板显示器(FED)、等离子体平板显示器(PDP)、薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)和有机发光显示器(OLED).目前，大多数平板显示器为有源矩阵液晶显示器(AMLCD)，其中薄膜晶体管(TFT)因在有源矩阵驱动显示器中发挥着重要作用而倍受关注［1-3］，TFT 技术已成为平板显示领域的关键技术.目前，TFT 器件主要包括非晶硅TFT［4］、多晶硅TFT［5］、有机TFT［6-7］和氧化物TFT［8］，其中ZnO 薄膜晶体管(ZnO-TFT)具有迁移率高、可见光透明、环境友好、加工温度低等优点，应用于平板显示中时可获得更大的驱动电流和更高的开口率.

ZnO 薄膜是一种直接宽带隙(常温下带隙约为3.37 eV)的透明氧化物半导体，具有六方纤锌矿结构，C 轴优先取向和优良的压电、光电、气敏、压敏特性，已在传感器领域得到了广泛的应用.为克服非晶硅TFT 和有机TFT 存在的迁移率低、对可见光敏感等缺点，2003 年Nomura 等［9］采用ZnO 薄膜作为半导体有源层制备出高性能的ZnO-TFT，其载流子迁移率高达80 cm2/(V·s)，开关电流比高于106，可见光透过率大于80%，从此掀起了ZnO-TFT 的研究热潮.近十年来，ZnO-TFT 的研究十分活跃，也取得了长足的进展，表现在:①采用了不同的方法(射频磁控溅射法［10］、激光脉冲沉积法［11］、原子层沉积法［12］、溶胶-凝胶法［13］等)沉积ZnO 薄膜以得到不同特性的ZnO-TFT;②采用了不同的栅介质及制备工艺以改善器件的特性［14-15］;③通过在ZnO 薄膜中掺入合适的杂质来改善器件的性能［16-17］;④通过优化半导体层与栅介质之间的界面特性来提高器件的性能［18-19］.

由于ZnO 薄膜的带隙宽，理论上纯净的晶态ZnO 对可见光具有透明性，因此，ZnO 薄膜用于平板显示作有源驱动时可获得100%的开口率.然而，各种薄膜技术制备的ZnO 薄膜通常是一种非晶或多晶结构，薄膜内部存在大量的缺陷态，从而使其在可见光范围也存在着一定的光响应，导致器件在可见光范围往往存在一定的光诱导不稳定性.文中以高纯ZnO 为靶材，采用射频磁控溅射法沉积的ZnO 薄膜作为半导体活性层，制备出底栅顶接触型ZnOTFT，研究可见光照射对ZnO-TFT 电特性的影响及其机理.

1 实验

实验采用电阻率为0.6～1.2 Ω·cm、晶 向 为(100)的n+型单晶硅片作衬底和晶体管的栅(G)电极，以热生长SiO2薄膜为栅介质层，用射频磁控溅射法沉积的ZnO 薄膜作为半导体活性层，真空蒸镀Al 作为源(S)、漏(D)电极，制备出底栅顶接触型薄膜晶体管结构［20］.溅射时采用高纯ZnO(纯度为99.99%)作为靶材，射频功率为60 W，基底温度为200 ℃，Ar 与O2的流量比为5∶2，溅射前反应室真空度为1.9 ×10-4Pa，溅射时反应室气压为0.5 Pa，溅射时间为60 min，样品自转速率为10 r/min.样品的制备工艺流程参见文献［20］.所制备ZnO 薄膜晶体管的沟道长度(L)和宽度(W)分别为30 和400 μm.SiO2和ZnO 薄膜的厚度利用NanoCal 2000 型光反射测厚仪测定，分别为120 和100 nm.单位面积栅介质电容(Cox)由Agilent 4284A 型电容分析仪得到，其值为26 nF/cm2.ZnO-TFT 器件的电特性利用Agilent 4156C 精密半导体参数分析仪及CASCADE RF-1 探针台组成的测试系统进行测试.照射光源采用探针台自带的LED 灯，光照强度用JD-3 型可见光照度计测量.

2 结果与讨论

图1 给出了ZnO-TFT 器件在暗态下的输出和转移特性(漏电流ID与栅电压VGS的关系)曲线.从图1(a)可知:VGS和漏电压VDS均为正偏压，说明所沉积的ZnO 薄膜为n 型半导体层;饱和区曲线非常平坦，表现出优良的饱和行为;当VDS=20 V、VGS=30 V时，器件的饱和区漏电流高达1.4 μA.由图1(b)可知:晶体管呈现出良好的开关特性，栅电压能较好地控制漏电流的变化，当栅偏压加负向电压且不断增加时，漏电流无明显增加，晶体管处于关断状态，关态电流低于10 pA，而当栅偏压加正向电压且不断增加时，晶体管进入开通状态;当VDS=30 V、VGS=40 V时，器件的开态电流高达13.8 μA.对于薄膜晶体管，当晶体管处于饱和状态时，其源漏之间的饱和电流ID，sat通常可表示为

图1 ZnO-TFT 器件在暗态下的电特性Fig.1 Electrical characteristics of ZnO-TFT device in the dark

式中，μeff为薄膜晶体管的饱和区载流子有效场效应迁移率，Vth为阈值电压.

式中，k 为玻尔兹曼常数，T 为绝对温度，q 为电子基本电量.由式(3)可计算出界面态密度为6.83 ×1012cm-2.

在不同光照强度(E)下，VGS=0 V 时ZnO-TFT的输出特性曲线如图2 所示.在相同的漏电压下，漏电流随着光照强度的增加而增加.光照前，ZnO-TFT的输出特性曲线呈现出明显的饱和行为;随着光照强度的增加，ZnO-TFT 的饱和特性变得越来越差.这是因为光照强度增大时，ZnO 薄膜中光诱导的载流子浓度增加，从而导致半导体活性层的本体电阻减小.当栅电压不变(VGS=0 V)时，导电沟道区之外光诱导引起本体电阻的减小，从而形成本体电流，此时漏电流包括沟道电流和本体电流两部分，且随光照强度的增加，本体电流对漏电流的影响越来越大.因此，随光照强度的增加，ZnO-TFT 的输出特性曲线的饱和行为逐渐变弱而电阻行为逐渐增强［22］.

图2 不同光照强度下ZnO-TFT 的输出特性Fig.2 Output characteristics of ZnO-TFT at various illumination intensities

在不同漏电压下，VGS=0 V 时ZnO-TFT 的漏电流随光照强度的变化如图3 所示.在各种漏电压下，ZnO-TFT 的漏电流随光照强度的增加而增大，且呈线性关系，而在强光照下表现为抛物线关系.这是由于ZnO 薄膜存在丰富的缺陷态，这些缺陷态对光诱导产生的载流子具有明显的陷阱作用［23］.

图3 不同漏电压下ZnO-TFT 器件的漏电流随光照强度的变化Fig.3 Drain current of ZnO-TFT versus illumination intensity at various drain voltages

在不同光照强度下，VDS=30 V 时ZnO-TFT 的转移特性曲线如图4 所示.当ZnO-TFT 处于不同的工作状态时，光照对器件特性的影响有所不同.当ZnO-TFT 工作于亚阈值区以上时，漏电流受光照强度的影响相对较小，在VGS=30 V 和80 lx 的光照射下，漏电流从暗态的2.95 μA 上升到3.44 μA，相对变化量(Iph-Idark)/Idark仅为0.16;即使在2210 lx 的光照射下，漏电流为5.16 μA，相对变化量也仅为0.75.然而，当ZnO-TFT 工作于亚阈值区以下时，漏电流受光照强度的影响增大，在VGS=0 V 和80 lx 的光照射下，漏电流从暗态的7.4 pA 上升到0.162 nA，相对变化量为1.20;在2 210 lx 的光照射下，漏电流为0.236 nA，相对变化量为31.00.这表明，可见光照射所引起的ZnO-TFT 漏电流变化不仅与光照强度有关，而且受到栅电压的调控，如图5 所示.在相同栅电压下，漏电流的相对变化量随光照强度的增加而增大;在相同强度的光照射下，漏电流的相对变化量随栅电压的变化而变化.在80 lx 的光照射下，漏电流的最大相对变化量为2.36，最小相对变化量为0.12;在2210 lx 的光照射下，漏电流的最大相对变化量为36.29，最小相对变化量为0.58.对于有机TFT，在可见光照射下漏电流的最大相对变化量高达103［24］，这表明在可见光照射下，ZnO-TFT 器件特性的稳定性远远优于有机TFT.漏电流的相对变化量随栅电压的变化可采用有源层的本体电阻和沟道电阻组成的并联电阻模型得到解释［22］.当ZnO-TFT处于开态时，沟道电阻很小，光照所引起的本体电阻的变化对并联电阻的影响较小，故漏电流变化小;当ZnO-TFT 处于亚阈值区时，沟道完全被耗尽，沟道电阻很大，此时光照引起的本体电阻减小使并联电阻有效减小，因此漏电流明显增大.

图4 不同光照强度下ZnO-TFT 的转移特性Fig.4 Transfer characteristics of ZnO-TFT at various illumination intensities

图5 不同强度光照射下漏电流的相对变化量与栅电压的关系Fig.5 Relative variation of drain current versus gate voltage at various illumination intensities

为了进一步分析可见光照射对ZnO-TFT 器件性能参数的影响规律，图4(b)给出了不同光照强度下ZnO-TFT 漏电流的平方根与栅电压的关系曲线.随着光照强度的不断增大，ZnO-TFT 的阈值电压微弱减小(无光照时阈值电压为21 V，在2 210 lx 的光照下阈值电压为19.5V，减小了1.5V)，场效应迁移率有少许的增加(场效应迁移率在暗态时为0.27cm2/(V·s)，在2210lx 光照下为0.41cm2/(V·s)).这是因为在可见光照射下，光诱导产生的载流子被沟道层内陷阱态俘获，因此，在相同栅电压下沟道层内所诱导的有效可动电荷有所增多，即阈值电压有所减小;沟道层内的缺陷态主要分布在晶粒间界，光诱导的载流子被晶界处的缺陷态俘获，引起晶界势垒的降低，从而导致迁移率有所增大.

为了分析可见光照射后ZnO-TFT 的迟豫特性，在2310 lx 的稳定光照后关断光照，不同延时时间下ZnO-TFT 器件的转移特性如图6 所示.漏电流在光照关断初期的衰减较快，而后的衰减较为缓慢，这在亚阈值区以下尤其明显;在关断光照50 min 后漏电流尚未完全恢复到光照前的初始值，这表明陷阱电荷的去陷阱过程是一个缓慢的过程，因为ZnO 薄膜中存在的丰富的缺陷态会在禁带中形成深浅不同的陷阱能级.在稳定的光照下，这些缺陷能级大多收容了光诱导的载流子，光照停止后浅陷阱能级上的陷阱电荷往往比深陷阱能级上的陷阱电荷更容易释放，因此，关断光照初期漏电流的衰减较快且主要取决于浅陷阱能级上陷阱电荷的去陷阱过程，随着时间的延长，漏电流的衰减较为缓慢且主要取决于深陷阱能级上陷阱电荷的去陷阱过程.

图6 停止2310 lx 光照后ZnO-TFT 的转移特性随延时时间的变化Fig.6 Transfer characteristics of ZnO-TFT varying with delay time after turning off light illumination of 2310 lx

3 结语

文中采用射频磁控溅射法制备ZnO-TFT，研究了可见光诱导所引起的器件特性的不稳定性.实验结果表明:该ZnO-TFT 呈现出良好的场效应晶体管特性，饱和行为明显，有效场效应迁移率为0.36cm2/(V·s)，阈值电压为22.5V，开关电流比为2 ×106，亚阈值摆幅为2.6 V/dec.在可见光照射下，该ZnO-TFT 器件的性能呈现出一定的不稳定性，随着光照强度的增加，迁移率有少许增大，阈值电压有微弱的减小，漏电流的相对变化量受栅电压的调控:在开态时漏电流的相对变化量较小，在2 210 lx 的光照下，漏电流相对变化量的最小值为0.58，而在亚阈值区和关态时，漏电流受光照强度的影响较大，相同强度的光照下漏电流相对变化量的最大值为36.29.这种可见光诱导不稳定性与ZnO 薄膜内部及界面处的陷阱缺陷态的存在息息相关，因此，减小缺陷态是提高可见光照射下ZnO-TFT 器件稳定性的有效方法.

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