有源层厚度对柔性AZO-TFT电学性能的影响

李 超 王 超 杨 帆 王艳杰

（吉林建筑大学 电气与计算机学院 长春 130118）

引言

近年来，柔性电子和显示器因其外型薄、重量轻、柔韧性好、运输方便等优点而受到越来越多的关注[1]。柔性薄膜晶体管（TFT）作为实现柔性电子产品的关键器件，适用于各种应用，包括大面积柔性显示器、电子纸、有源矩阵有机发光二极管[2,3]（AMOLEDs）。

非晶硅[4]（a-Si：H）和有机半导体材料[5]作为柔性薄膜晶体管常用的有源层材料因其过低的迁移率限制了其在大面积柔性显示器上的应用。研究发现[6-7]，氧化锌基氧化物半导体的薄膜晶体管具有迁移率高、制备温度低、与现有TFT制造技术相对兼容等优点。特别是，铟镓锌氧化物[8-10]（Indium gallium zinc oxide，IGZO）TFT因其在低制备温度下的高迁移率而备受关注。然而，铟是地球上的稀有元素，这使得它价格昂贵且不适合大规模生产。本次研究选择了掺铝氧化锌作为薄膜晶体管的有源层。众所周知，铝在地球上含量丰富，对人体无害，大规模工业生产成本低，因此掺铝氧化锌（Al-doped zinc oxide，AZO）是目前最具前景的新型无铟氧化物半导体材料。

由于铝比锌具有更高的价和更小的离子尺寸，铝可以取代锌的位置，提供额外电子，从而提高氧化锌薄膜的电导率，致使掺铝氧化锌薄膜常作为透明导电薄膜材料。近年来，随着研究的进一步深入，发现AZO也是一种很好的半导体材料[11-13]。Jang等人[14]将铝的浓度降低到2 wt%，使AZO薄膜作为薄膜晶体管的有源层，制备出了开关电流比为104，场效应迁移率为0.17 cm2/V·s的AZO-TFT。目前已有很多AZO-TFT的研究[15-17]，并取得了良好的光学和电学性能，但相关研究都是在刚性衬底上制备的。

本文结合当今柔性显示的热点，采用射频磁控溅射法在柔性聚酰亚胺（PI）衬底上制备了不同厚度的AZO薄膜，对不同厚度薄膜的生长情况、微观结构进行了测试分析，同时制备了与之对应有源层厚度的柔性AZOTFT，并研究了有源层厚度对柔性AZO-TFT电学性能的影响。

1 实验

本文制备的柔性AZO-TFT为底栅顶接触结构,其基本结构如图1所示。首先将柔性衬底材料固定到清洗干净的载玻片上，其中柔性衬底材料为聚酰亚胺（PI）；通过台湾亮杰科技有限公司的EB-420电子束蒸发设备在PI衬底上蒸镀一层100 nm厚的铝作为薄膜晶体管的栅极；在栅极上通过磁控溅射法溅射一层300 nm厚二氧化铪作为薄膜晶体管的绝缘层；再采用磁控溅射法制备薄膜晶体管的有源层，通过调控溅射时间改变薄膜晶体管有源层厚度，共分为5 min、10 min、15 min、20 min 4个实验组，其中靶材为ZnO陶瓷靶（纯度99.99 %）和Al靶材（纯度99.99 %），溅射功率为ZnO靶材100 W、Al靶材15 W，溅射气体为Ar：O2= 95 : 5的混合气体，工作气压为8 mTorr；在黄光光刻间对样品进行沟道刻蚀后，通过电子束蒸发设备蒸镀一层50 nm厚的Al作为源漏电极，最后制备成柔性AZO-TFT器件。

AZO薄膜结构特性和生长情况分别采用X射线衍射仪（XRD)、扫描电子显微镜（SEM）进行了表征，同时利用半导体参数仪对柔性AZO-TFT的电学性能进行了测试，并分析了有源层厚度对柔性AZO-TFT电学性能的影响。

2 结果与讨论

制备了厚度分别为53 nm，62 nm，79 nm，94nm的四组AZO薄膜样品，利用X射线衍射仪（XRD）对四组样品进行了测试，结果所示如图2。当薄膜厚度较薄时，未观测到明显的衍生峰，随着AZO薄膜厚度的增加，在2θ=34.6 °处（002）面出现明显特征峰。此峰值十分接近标准的ZnO晶体（34.45 °），出现这种情况很可能是由于铝取代了晶格中锌的位置所致。

薄膜的厚度对柔性衬底上制备的TFT电学性能有较大影响，图3分别为溅射时长5 min、10 min、15 min、20 min下生长的AZO薄膜剖面，样品（a），（b），（c），（d），的厚度分别为53 nm、62 nm、79 nm、94 nm，随着溅射时间的增加AZO薄膜的厚度也逐渐变厚。

图4为不同厚度AZO薄膜的表面形貌图像。图4 （a）～（d）分别对应薄膜厚度为53 ～ 94 nm的AZO薄膜样品，四组SEM图像放大倍数均为5万倍。由SEM图像可知，当AZO薄膜厚度为53 nm时，薄膜表面形貌较差，颗粒状明显，当厚度增加到62 nm时，薄膜表面平整度得到改善，但存在缺陷和裂痕，随着厚度增加到94 nm，薄膜的致密性和均匀性得到明显提高，表面颗粒逐渐明显，薄膜成膜均匀致密，没有明显的缺陷和裂痕。

图5为不同厚度的AZO薄膜作为有源层时对应薄膜晶体管器件的转移特性曲线，其中，栅极电压的扫描范围为（-15 ～ 20）V，漏极电压固定在8 V。由转移特性曲线图可知，有源层厚度对柔性AZO-TFT器件的开关特性有一定的影响，其中有源层厚度为79 nm的AZO-TFT器件的电流开关比（Ion/off）最大，有源层厚度为53 nm的AZO-TFT器件的开关电流比最小，所有器件的关态电流（Ioff）保持在1×10-8～1×10-10之间，开关电流比都大于1×104。

薄膜晶体管的电学特性参数主要包括以下4个：阈值电压、迁移率、亚阈值摆幅、开关电流比。当薄膜晶体管处于饱和状态时，其电流和电压通常满足以下关系：

式中:

IDS—漏极电流；

μ—迁移率；

W—沟道宽度；

L—沟道长度；

Ci表示绝缘层单位面积的电容；

VGS—栅极电压；

VTH—阈值电压。

由公式（1）可以得到：

TFT的阈值电压VTH是指当有源层的费米能级恰好进入带尾态时所对应的栅极电压，其数值上为IDS1/2-VGS曲线线性区的切线与X轴的交点即为VTH。

迁移率μ决定了电子在电场作用下的平均漂移速度，是衡量器件性能的重要参数之一。通过如下公式计算得出：

式中:

K—IDS1/2-VGS曲线线性区切线的斜率。

亚阈值摆幅SS是衡量TFT器件由关态到开态转换区域的具体特点，具体定义为IDS增加一个数量级所需要的最小ΔVGS，数值上为Log（IDS)-VGS曲线最大斜率的倒数：

式中：

SS—亚阈值摆幅。

它可以反映TFT从开启到关断的转换速度，亚阈值摆幅越大则亚阈值区域的曲线越平缓，TFT在关断和开启之间转换速度慢，因此我们通常希望亚阈值摆幅越小越好。

开关电流比Ion/off是器件处于“开态”和“关态”的电流输出之比，它反映了器件的导通和闭合的能力。

由表1可知，μFE随着AZO薄膜溅射时间的增长，先增大后减小，当溅射时间为15 min即厚度增加到79 nm时，μFE最大，约为2.21 cm2·（V·s）-1。同时开关电流比Ion/off也随着厚度的增加出现μFE同样的变化趋势，随着AZO薄膜厚度的增大亚阈值摆幅先变小后变大。

表1 不同有源层厚度的AZO TFTs电学性能参数

当AZO有源层厚度为53 nm时，μFE和Ion/off最小，出现这种情况是因为有源层厚度太薄，氧空位数目较少，载流子浓度低[18]。同时当有源层较薄时，薄膜表面均匀性较差，界面缺陷较多，致使μFE和Ion/off较低。

当有源层厚度增加至79 nm时，薄膜表面得到一定的修饰，AZO薄膜成膜质量得到改善，晶粒轮廓逐渐清晰，晶界减小，薄膜表面变得光滑致密，TFT中缺陷对载流子的俘获作用对器件的性能影响减弱，器件中的有效载流子数目增多，因此TFT的Ion/off增大，SS减小，μFE增大。

当有源层厚度大于79 nm时，AZO-TFT的μFE和Ion/off下降，SS增大。这是因为，有源层厚度增加，载流子从源极注入后在源极、漏极附近需要穿过更厚的高电阻区[19]；同时载流子数目较多，在输运过程中相互碰撞，发生散射。

3 结论

通过磁控溅射法调控薄膜的溅射时间，分别制备了厚度为53 nm，62 nm，79 nm，94 nm的AZO薄膜及相应的柔性AZO-TFT，研究了厚度对AZO薄膜结构的影响，并测试分析了其对应薄膜厚度的薄膜晶体管的电学性能。结果表明:当薄膜厚度较薄时，薄膜表面均匀性和器件电学性能较差。随着有源层厚度的增加，薄膜表面得到修饰，器件电学性能得到提升。但当有源层厚度较厚时，源、漏电极附近的高阻区的导电路径增加，影响载流子的传输，同时在载流子输运过程中也会增加碰撞的几率，形成散射，导致柔性AZO-TFT器件电学性能下降。因此，同刚性衬底上制备的薄膜晶体管一样，柔性衬底上制备的薄膜晶体管有源层厚度不应太薄或太厚，合理选择和确定有源层厚度有利于器件获得更好的电学特性。在电学性能方面柔性衬底上制备的薄膜晶体管也能达到高性能，并且制备过程简单，成本低廉，揭示了未来柔性显示的潜力。