氧氩比对镓掺杂氧化锌薄膜晶体管性能的影响

孟 冰，高晓红，孙玉轩，王 森

吉林建筑大学 电气与计算机学院,长春 130118

氧化锌(ZnO)作为最受欢迎的薄膜晶体管有源层材料,具有宽带隙,低温生长,均匀性好,原料价格低廉,储量丰富等优点.研究发现通过对氧化锌掺杂合适的金属离子可以提高薄膜晶体管性能,例如氧化铟镓锌[1](IGZO)、氧化铟锌[2](IZO)和氧化铟锡锌[3](ITZO)等材料为有源层的薄膜晶体管已被报道.这些多组分材料中,IGZO被视为最有前途的有源层材料,然而铟是价格昂贵的稀有金属且对环境有污染,因此迫切需要寻找合适的掺杂元素,以无铟氧化物作为薄膜晶体管的有源层材料.

采用镓(Ga)作为掺杂元素,可以实现利用金属粒子特性抑制纯氧化锌氧薄膜晶体管有源层中氧空位等本征缺陷,实现对载流子的调控[4-5].镓离子作为杂质取代锌离子,室温下在导带中释放一个自由电子,能够有效提高器件的电导率.因此本次实验选择镓作为氧化锌的掺杂元素,并制备镓掺杂氧化锌(GZO)薄膜晶体管.薄膜沉积过程中,氧氩比影响氧空位的存在,因此GZO-TFT在制备过程中对氧氩比非常敏感[6].本文采用磁控溅射的方法在室温下沉积GZO薄膜并制备成TFT器件, 研究氧氩比对GZO-TFT电学性能的影响.此外,使用紫外可见分光光度计表征薄膜的光学性能, 通过扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)观察薄膜的表面形貌,使用半导体参数测试仪测试TFT器件的电学性能.

1 实验

实验采用磁控溅射设备在室温下沉积GZO薄膜,选择表面具有100 nm SiO2介电层的p-Si衬底作为基片,沉积有源层过程中衬底温度为25 ℃.将基片分别放入丙酮、酒精和去离子水中超声清洗各10 min,去除基片表面杂质.溅射靶材是质量比为ZnO∶Ga2O3=97∶3的GZO陶瓷靶材,控制薄膜生长温度为25 ℃,溅射压强为8 mTorr,溅射功率为80 W,分别在氧氩比为5∶95,10∶90,15∶85,20∶80的条件下生长GZO薄膜.选择湿法光刻对有源层进行图案化,采用电子束蒸发设备蒸镀厚度为50 nm的铝作为器件的源、漏电极.图1为GZO-TFT器件的结构示意图.器件沟道长度为10 μm,宽度为300 μm,源漏电极长度为1 120 μm,宽度为1 000 μm,p-Si作为栅极长度为2 250 μm,宽度为1 000 μm.

图1 TFT器件结构示意图Fig.1 TFT device structure diagram

2 结果与讨论

2.1 光学特性分析

图2为不同氧氩比GZO薄膜的透过率.在可见光范围(400 mm～700 nm)内,不同氧氩比生长的薄膜均具有较高的透过率,平均透过率大于90 %.随着氧含量的增加,薄膜的吸收边向短波段移动,吸收边的移动意味着禁带宽度的变化.根据公式[7](1)可以计算GZO薄膜的禁带宽度.

(αhv)=C(hv-Eg)1/2

(1)

图2 不同氧氩比GZO薄膜透过率Fig.2 Transmittance of GZO films with different oxygen-argon ratios

式中,α为吸收系数;hv为入射光子的能量,eV;C为常数;Eg为光学禁带宽度,eV.

图3为不同氧氩比GZO薄膜的光学带隙.氧氩比5∶95,10∶90,15∶85,20∶80的 GZO薄膜对应的禁带宽度分别为3.18 eV,3.20 eV,3.21 eV,3.22 eV,即随着氧气含量的增多,薄膜的禁带宽度增加,可能的原因是随着氧含量的增多使GZO氧化并抑制了占据导带底部的氧空位缺陷,导致薄膜带隙的增加[8].由式(2)可知,氧原子填充氧空位使自由电子减少,自由载流子密度随氧含量的增多而降低[7],导致器件的源漏电流随氧含量的增多而降低,这与器件的输出特性曲线也相对应.

图3 不同氧氩比GZO薄膜禁带宽度Fig.3 The band gap width of GZO films with different oxygen-argon ratios

2.2 表面形貌分析

使用扫描电子显微镜(SEM)原子力显微镜(AFM)观察GZO薄膜的表现形貌,图4(a)～图4(d)分别是O2∶Ar为5∶95,10∶90,15∶85,20∶80条件下制备的GZO薄膜的扫描电子显微镜(SEM)图像,放大倍数为5万倍.不同氧氩比条件下生长的GZO薄膜晶粒致密均匀,无孔隙和团簇现象.

图4 不同氧氩比GZO薄膜SEM图Fig.4 SEM images of GZO films with different oxygen/argon ratios

图5(a)～图 5(d)分别是氧氩比为5∶95,10∶90,15∶85,20∶80的GZO薄膜的原子力显微镜(AFM)图像, 对应的GZO薄膜表面粗糙度分别为747.169 pm,232.367 pm,704.600 pm,661.767 pm即氧氩比为10∶90时薄膜表面粗糙度最小,薄膜生长质量较好.

图5 不同氧氩比GZO薄膜AFM图Fig.5 AFM images of GZO films with different oxygen/argon ratios

2.3 TFT器件分析

图6为不同氧氩比条件制备的GZO-TFT输出特性曲线.从图6中可以看出，不同氧氩比条件下制备的GZO薄膜晶体管器件的源漏电流IDS都随着栅极电压VGS的增大而增加,说明制备的器件具有良好的栅压调控作用.当器件的栅极电压VGS固定时,随着VDS的增大,器件的IDS增大并且趋向于饱和,这表明制备的GZO薄膜晶体管均为N沟道增强型器件,并且具备良好的饱和特性.随着氧氩比的增大,器件的饱和电流减小,当氧氩比为5∶95时,器件的饱和电流最大达到8.7 μA.GZO-TFT的电学性能参数见表1.

图6 不同氧氩比GZO-TFT的输出特性曲线Fig.6 Output characteristic curves of GZO-TFT with different oxygen-argon ratios

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

图7为不同氧氩比条件制备的GZO-TFT的转移特性曲线,在薄膜沉积过程中通入氧气,器件表现出良好的开关特性.随着氧气含量的增加,器件的迁移率呈现先增大后减小的趋势,阈值电压则相反.当氧氩比为10∶90时,器件的开关电流比最高,达到1.27×107,迁移率为0.82 cm2·V-1s-1,阈值电压为5.01 V.

图7 不同氧氩比GZO-TFT转移特性曲线和IDS1/2-VGS曲线Fig.7 GZO-TFT transfer characteristic curves and IDS1/2-VGS curves with different oxygen and argon ratios

根据以往的报道,氧化物半导体中的载流子运输与氧空位有关[9],即:

(2)

式中,OO为氧缺陷;VO为氧空位;e为自由电子.

在薄膜沉积过程中通入氧气,氧氩比为5∶95时,少量的氧气进入GZO薄膜中,使得氧空位降低,氧空位提供的自由电子减少,降低薄膜的电导率,同时薄膜中的载流子散射作用减弱,迁移率为0.71 cm2·V-1s-1.在这一过程中,少量氧气的通入使得氧空位提供的自由电子减少是GZO薄膜具有半导体特性以及器件具备开关特性的主要原因.当氧氩比为10∶90时,界面陷阱态密度最低,为1.86×1013cm-2·eV-1.这意味着载流子在运输过程中被捕获的几率降低,电子俘获作用减小.薄膜中的载流子散射作用减弱与陷阱态密度降低使得薄膜中的载流子浓度升高,器件迁移率升高到0.82 cm2·V-1s-1,同时阈值电压降低.

当过量的氧气被引入时,一方面薄膜中的氧空位过少,由氧空位提供的自由电子减少,造成薄膜中的载流子浓度降低,导致器件迁移率降低,氧氩比为15∶85和20∶80的迁移率分别降低为0.65 cm2·V-1s-1和0.51 cm2·V-1s-1.另一方面,过量的氧在薄膜溅射沉积过程中与等离子体发生碰撞,进一步增加了缺陷态,影响薄膜沉积质量，氧氩比为15∶85和20∶80制备的薄膜陷阱态密度分别升高为2.74×1013cm-2·eV-1和2.80×1013cm-2·eV-1.

3 结论

使用射频磁控溅射设备室温下沉积GZO薄膜并成功制备GZO薄膜晶体管,发现在沉积过程中氧氩比对GZO薄膜和薄膜晶体管器件的性能有着重要影响.使用紫外可见分光光度计表征GZO薄膜的光学特性,在可见光区GZO薄膜平均透过率达到90 %以上.使用SEM和AFM表征薄膜,结果显示当氧氩比为10∶90时,薄膜沉积质量最好.

电学性能测试结果显示适量的氧气可以降低氧空位缺陷,且载流子散射作用减弱,当氧氩比为10∶90时GZO薄膜晶体管界面陷阱态密度最小,器件的电学性能最佳,迁移率为0.82 cm2/(V·s),阈值电压为5.01 V,亚阈值摆幅为2.51 V/dec,开关电流比达到1.27×107.

过量的氧气会导致载流子浓度降低,并且会增加薄膜中的缺陷态,造成电学性能的劣化.