非晶铟镓锌氧化物薄膜晶体管电学性能研究

郭晓晴

（苏州大学电子信息学院，江苏 苏州 215000）

非晶铟镓锌氧化物薄膜晶体管电学性能研究

郭晓晴

（苏州大学电子信息学院，江苏 苏州 215000）

非晶态氧化物半导体材料因其优良的性能而发展迅速，而非晶铟镓锌氧化物薄膜晶体管（a-IGZO TFT）更是凭借其电学特性的优良以及高可见光透过率而成为研究的热点。本文综述了a-IGZO TFT与非晶硅TFT（a-Si∶H）在载流子迁移率、亚阈值摆幅等电学特性方面产生较大差异的原因，并且探究了a-IGZO TFT的沟道宽度对其电学性能的影响。

a-IGZO TFT；电学特性；沟道宽度

随着显示技术，尤其是平板显示技术的飞速发展，薄膜晶体管作为显示像素控制电路核心器件，它的特性和制备工艺等问题已经成为显示技术领域的核心问题之一。自进入20世纪90年代，LCD正式进入高分辨率高清晰度以及全彩色图像显示的新阶段，有源矩阵薄膜晶体管液晶显示技术在人们生活中起着越来重要的作用，其不断推进着技术的高速发展。有源矩阵液晶显示技术以其高清晰度，大容量、功耗低而成为液晶的主导技术，同时也是研发的热点。

目前使用最广泛的a-Si∶H TFT具有载流子迁移率低等缺点，难以实现高清晰度和高分辨率，而a-IGZO TFT作为一种新型氧化物半导体材料，具有较高的载流子迁移率，较大的禁带宽度，较好的延展性，因此广泛地被研究。同时a-IGZO TFT的制备工艺较为简单，其与现有设备的兼容性良好，非常具有代替非晶硅材料的潜力。

a-IGZO TFT和a-Si∶H TFT同为非晶材料，但是性能差异却很大。本文通过对比两种器件的电学参数，解释这些现象出现的原因，电学参数包括载流子迁移率，阈值电压，亚阈值摆幅，开关电流比。同时，保持a-IGZO TFT沟道长度不变，改变沟道宽度，比较沟道宽度对a-IGZO器件带来的电学参数的变化。

1.实验

TFT的三端电压通过影响有源层载流子分布可以控制器件工作模式，在不同的工作模式下，漏电流与栅端、漏端电压存在着不同的关系，从器件的转移特性曲线中我们能拟合提取性能指标参数。

以n型器件为例，当器件工作在线性区即Vds＜VGS-Vth时，实验利用线性区载流子迁移率和转移特性曲线的关系，即

提取载流子迁移率，单位为cm2/V·s。亚阈值摆幅SS是利用，对亚阈值区转移曲线进行微分得到，并且选择其中的最小值作为最终结果。

实验利用Agilent 4156C精密半导体参数测试仪在Vector（MX-1100B）上测试器件的特性曲线数据。

1.1a-IGZO TFT和a-Si∶H TFT电学性能的比较研究

实验中用到的a-Si∶H TFT是采用传统的底栅交错型结构，制作在玻璃衬底上，栅绝缘层为SiNx，厚度为350nm，非晶硅沟道层厚度为120nm。a-IGZO器件采用的是底栅顶接触结构，栅绝缘层厚度20nm。本实验中两种器件的宽长比W/L均为10µm/10µm，如图1所示。

由表1可以看出，a-IGZO TFT的载流子迁移率能达到a-Si∶H TFT迁移率的10倍。在非晶硅结构中，由于悬挂键的存在使得TFT的性能退化，载流子迁移率很低，这也是在制作TFT时需要利用氢原子进行钝化提高TFT性能的原因。但是在半导体氧化物中，由于氧化物的离子性很强，在金属原子和氧原子之间会有电荷的迁移，导致金属原子最外层S轨道处于空状态，这会使带隙能量之差降低，从而使载流子更容易迁移。在氧化物半导体中，金属阳离子外层未被占据的s轨道的重合会给载流子提供很大的运动空间，这也能够有效的提高载流子的迁移率。

在硅中，每形成一个硅空位，会在靠近带隙的地方形成一个不成对电子的悬挂键，可以作为电子陷阱或者空穴陷阱，因此增加了表面陷阱。所以对于非晶硅来说，亚阈值摆幅比较大。氧化物半导体中氧空位的形成只能作为浅施主能级，但是不能作为陷阱存在，降低了亚阈值摆幅，因而有效地提高了器件的开关速度。

a-IGZO TFT缺陷密度比较小，禁带宽度比较大，所以其泄漏电流小，开关电流比大。而且有学者研究表明IGZO薄膜有较高的电阻率，这也可能会使其泄漏电流降低。

1.2沟道宽度对a-IGZO TFT电学特性的影响

实验中使用的a-IGZO TFT制备工艺与上述实验相同，沟道长度均为10µm，沟道宽分别为10µm，20µm，50µm。

对于低漏端电压，较小的沟道宽度发生变化时，阈值电压变化不明显，但是存在阈值电压随着沟道宽度变化的现象。这是由于IGZO薄膜的热导率低于硅和二氧化硅，热扩散不易进行。当沟道的宽增大时，使这一现象更加剧烈，称为自加热效应。这种现象会在漏极电压较大，沟道宽度较大时更明显。自加热效应会使器件温度升高，载流子迁移率下降，这点可以由表2看出，随着沟道宽度的增加，载流子迁移率逐渐下降。通过热电子场发射过程，沟道电子在绝缘层和IGZO界面时被缺陷捕获，导致了阈值电压正向迁移。从图2中可以看出，亚阈值摆幅基本相同，这说明当沟道宽度增加时对表面态并没有明显的影响。

理论上沟道宽度的增加能够同时增大开态电流和泄漏电流，但在图2中泄漏电流却随着沟道宽度的增加几乎没有变化，总体表现为开关电流比提高。

结论

氧化物中离子键的存在使a-IGZO TFT性能与a-Si TFT的有很大区别，表现为a-IGZO TFT亚阈值摆幅的减小，载流子迁移率的增大，泄漏电流的降低，总体使器件性能提高。在探究宽长比对a-IGZO TFT影响时，表现出当沟道长度不变时，随着沟道宽度的增加，载流子迁移率下降，阈值电压提升，开关电流比增大和亚阈值摆幅减小的现象。

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