IGZO薄膜晶体管的制备及其光电性能

付 钰，高晓红，孟 冰，王 森，孙玉轩

吉林建筑大学 电气与计算机学院,吉林 长春 130118

0 引言

近年来,随着薄膜晶体管(TFT)技术的成熟,在应用于平板显示领域内的同时,研究人员也在探索其在光电探测领域的应用.TFT作为一种重要的开关器件,其性能的高低在很大程度上受到其半导体沟道层的影响[1].因此,沟道层材料对于薄膜晶体管性能的影响非常明显.作为宽禁带半导体材料的氧化锌(ZnO)具有高迁移率等良好的电学特性,在可见光区域具有高透过率,并具有较强的抗辐射性[2],在透明显示技术及传感器技术等诸多领域均有广泛应用.

通过离子掺杂方法,如InGaZnO[3],MgInZnO[4],GaZnO[5]等,调控ZnO基半导体材料的电学特性与光学特性成为当前光电探测领域的研究热点.Ga与ZnO良好的晶格匹配性[6],同时Ga的掺杂可以抑制ZnO材料中氧空位的形成,进而有效控制载流子的浓度[7].因此,我们以InGaZnO材料为有源层,采用底栅结构制备了具有良好电学特性的薄膜晶体管,并在不同波长的紫外光照下进行了光电响应测试,所制备的IGZO TFT显示出较强的光响应特性.

1 实验方法

本研究在具有100 nm热氧化硅的p型Si片上制备共栅共绝缘层的底栅顶接触TFT器件,图1展示了以IGZO为有源层的TFT的结构示意图.

图1 TFT器件的结构示意图Fig.1 Schematic diagram of TFT device

器件沟道长为10 nm,宽为300 nm.制备工艺为：在具有100 nm热氧化硅的p型Si片上用磁控溅射的方法沉积了50 nm厚的IGZO有源层,再利用光刻机对样品进行图案化,图案化完成后用电子束蒸发(E-Beam)在有源层上镀上50 nm的Al叉指源漏电极.使用Keysight B1500A半导体参数测试仪测试TFT器件的电学性能和在254 nm及365 nm光照条件下的光电响应特性.

2 结果与讨论

图2为IGZO TFT在无光照条件下的转移特性曲线. 其中,阈值电压和饱和迁移率是在IDS1/2和VGS线性外推中提取出来的,亚阈值摆幅(SS)是在log(IDS)和VGS图的线性部分中提取出来的.表1给出了IGZO TFT在不同VDS下主要电学参数.

表1 IGZO TFT电学性能参数Table 1 Electrical performance parameters of IGZO TFT

从图2及表1中可以发现器件的饱和迁移率随着源漏电压的升高而增加,其电流开关比则是随着源漏电压的升高而减小.IGZO TFT器件的阈值电压和开启电压随着源漏电压的升高均呈上升趋势.亚阈值摆幅则是稳定在5 V/decade左右.在源漏电压为10 V时,该器件的电学性能相对较好,饱和迁移率为173 cm2/Vs,电流开关比达到10的8次方.器件在栅极电压为10.5 V时开启,阈值电压为28.5 V,亚阈值摆幅约等于5 V/decade,得到的阈值电压要小于常规的有机或无机薄膜晶体管[3].

图2 IGZO TFT的转移特性曲线Fig.2 Transfer characteristics of IGZO TFT

图3为IGZO TFT在无光照条件下的输出特性曲线.由图3器件的输出特性曲线发现, 在相同栅极电压VGS下,随着源漏电压VDS的增大,源漏电流IDS先显著增大,随后趋于稳定,这表明栅极电压VGS对器件的源漏电流IDS不仅起到了很好的调控作用,而且表现出较好的夹断特性.在输出特性曲线中没有观察到电流拥堵现象,说明沟道层和电极之间的欧姆接触良好.

图3 IGZO TFT的输出特性曲线Fig.3 Output characteristics of IGZO TFT

图4展示了当源漏电流VDS=10 V时,IGZO TFT在不同照明条件下的转移特性曲线.在不同的源漏电压.VDS下器件的转移特性曲线均发生了相同趋势的变化.在紫外光的照射下,关态区均出现了显著的光响应,在饱和区也可观察到源漏电流IDS的增加.254 nm光照下的饱和电流要略大于365 nm光照下的饱和电流.通过无光照条件和不同光照条件下的对比,可知IGZO TFT对254 nm光照的响应强于对365 nm光照的响应.

图4 IGZO TFT 栅极电压为10 V时在无光照和其他照明条件下的转移特性曲线Fig.4 Transfer characteristic curves of IGZO TFT withgate voltage of 10 V under no illuminationand other illumination conditions

图5展示了VGS=10 V时，IGZO在不同照明条件下的输出特性曲线.通过光照，该曲线表现出了更好的饱和特性,说明接触电阻有所减小.在不同的栅极电压VGS下,器件的输出特性曲线也出现了相同趋势的变化.当栅极电压为10 V时,饱和电流在365 nm光照下提高了将近6个数量级,而在254 nm光照下提高了将近7个数量级.观察到的现象显然是由于IGZO薄膜中存在过多由于光电效应产生的光生载流子[9].这说明器件对254 nm和365 nm的光照均有响应,且对254 nm光照的响应要强于对365 nm光照的响应,这与在不同光照条件下的转移特性曲线得出的结果一致.

图5 IGZO TFT 栅极电压为10 V时在无光照和其他照明条件下的输出特性曲线Fig.5 Output characteristic curve of IGZO TFT withgate voltage of 10 V under no illuminationand other illumination conditions

光响应度(photoresponsivity)由下式计算:

(1)

式中,Idark是无光照条件下的源漏电流,A;IDS是光照条件下的源漏电流,A;Pinc是入射光的功率,W.光照的入射光功率测得为6×10-6W.

通过计算得出,器件在254 nm光照条件下,光响应度为44.81 A/W;在365 nm光照条件下,光响应度为1.98 A/W.结果再次表明制备的薄膜晶体管对紫外线敏感,且其对254 nm光照的响应要强于对365 nm光照的响应.

3 结论

利用湿法光刻技术和射频磁控溅射的方法在Si衬底上制备了具有叉指电极结构的底栅型IGZO薄膜晶体管,研究了其电学和光电性能.得出结论如下：

(1) 在VDS为10 V时,得到了饱和迁移率为173 cm2/Vs,电流开关比达到108,开启电压为10.5 V,亚阈值摆幅大约为5 V/decade的开关器件.

(2) 通过在不同光照条件下的测试表明，IGZO TFT器件对254 nm和365 nm的光照均能发生响应.

(3) 器件在254 nm光照条件下的光响应度达到了44.8 A/W.

(4) 这种以IGZO为有源层并具有叉指电极结构的TFT可以应用于光电探测领域.