沟道长宽比对AZTO-TFT 电学性能的影响

荆卫松 王 超 邓 洋 杨 帆 贾明瑞

（吉林建筑大学电气与计算机学院 长春 130118）

引言

进入21 世纪以来，随着移动互联网的发展智能手机、电子手表和其他便携式电子设备大量的走进普通人的生活中，并且由于影视动漫等娱乐产业的快速发展，对显示设备的显示性能有了更高的要求，例如需要设备拥有更高的刷新率，更快的动态响应能力等。薄膜晶体管作为显示面板的开关和驱动器件也需要有更好的电学性能。而传统硅基材料，如单晶硅和非晶硅（a-Si：H）发展至今由于稳定性较差，载流子迁移率较低等问题，难以满足当下对器件性能日益提高的需求。以IGZO、IZO 等材料为有源层制备的薄膜晶体管具有相对优异的电学性能，但其中如In 和Ga 等元素具有毒性，不仅对人体有一定危害，一旦被丢弃到自然界中会对土地与河流造成污染。其中的掺杂元素多为稀有元素，而我国相关稀有元素储量较少，因此研究发展相关材料的成本较高。而采用储量更丰富价格更低的元素，制备薄膜晶体管则能极大地降低规模化生产成本[1]。

由于Al 和Ga 的原子结构类似，最外层同样具有3个电子，并且Al 与O 原子的结合能相对较高，有助于提高沉积的薄膜的质量。Al 的掺入也可以极大的提高对ZTO 薄膜中载流子浓度的控制作用，而Sn 与In 的质量相差无几，且半径接近具有较好的替代性。所以采用AZTO 来代替IGZO 作为薄膜晶体管的有源层，不仅能减少稀有元素的使用，同时还具有较好的材料性能[2]。

因此本文研究采用较低成本的有源层材料，在硅衬底上制备出不同沟道宽度的薄膜晶体管，并对薄膜晶体管进行了电学性能的测试和薄膜质量的表征，研究沟道尺寸对AZTO 薄膜晶体管电学性能的影响。

1 实验

1）前期工作：本文以P 型硅片作为衬底，将其切割为2 cm×2 cm 的正方形，并用打磨机磨掉表面的层露出Si 作为TFT 的栅电极，然后放入烧杯中倒入丙酮直至淹没硅片，并用聚乙烯薄膜封住然后放在超声波清洗机中清洗10 min，随后将废液倒出再用酒精和去离子水进行清洗每次10 min，最后用氮气吹干衬底上残余的水。

2）有源层薄膜制备：本文中使用的有源层溅射靶材为AZTO 复合靶，其掺杂比为ZnO ∶Al2O3∶SnO2=58 ∶2 ∶40。有源层薄膜制备采用反胶工艺，首先使用匀胶仪在硅片上旋涂一层光刻胶，随后在90 ℃的温度下烘干5 min，然后进行光刻曝光为3 s，放入干燥箱90 ℃干燥5 min，再在光刻机喜爱进行3 s 的裸曝，放入显影液中进行5 s 显影，随后放入磁控溅射设备（设备型号为PVD75）在室温下制备AZTO 薄膜。其溅射功率为100 W，溅射时间为15 min，氩氧比为98 ∶2，溅射压强为8 mTorr。最后用丙酮、酒精、去离子水、重复上述清洗步骤对薄膜进行清洗。

3）电极生长：在硅片上使用匀胶仪旋涂一层光刻胶，然后放入烘干箱内烘干，利用光刻机使源漏电极图形化，然后进行显影，随后将硅片放入EB420 型电子束蒸镀设备中蒸镀电极，最后采用丙酮、酒精、去离子水同上述清洗步骤进行清洗。

图1 10 um 沟道显微镜照片

图2 20 um 沟道显微镜照片

图3 30 um 沟道显微镜图片

4）性能测试和表征：采用原子力显微镜（Atomic force microscopy，AFM）分析薄膜表面形貌和薄膜粗糙度、紫外-可见分光光度计（型号：UV-2600）测试器件的可见光透过率、半导体参数仪（Semiconductor Parameter Analyzer）对器件的电学性能进行测量分析。

2 实验结果

2.1 器件电学性能分析

图5为不同沟道宽度的AZTO-TFT的转移特性曲线，从图中曲线可以明显看出，沟道宽度的不同会对TFT 的电学性能产生影响。随着沟道宽度的减小，器件的转移曲线在整体上移，器件的漏极电流随着栅极电压的增大会整体提高。

图4 40 um 沟道显微镜图片

图5 不同沟道宽度的转移特性曲线

图6 AZTO 薄膜的XRD 衍射图谱

表1为不同沟道宽度的AZTO-TFT的电学性能参数，从载流子迁移率、阈值电压、亚阈值摆幅、开态电流、电流开关比，五个方面综合描述薄膜晶体管器件的电学性能。

表1 不同沟道宽度的AZTO-TFT 的电学性能

器件的开关比定义为器件开态电流与关态电流的比值，用于衡量栅极对导电沟道的控制能力，电流开关比越高表示栅极对沟道的控制能力就越强，开关比越低表示栅极对导电沟道的调控能力越弱。从表中很明显看出，当沟道宽度为10 um 时器件的电流开关比最高为，随着导电沟道宽度的逐渐增大，其阈值电压是逐步降低的。考虑沟道的宽度和长度：沟道的长度反映了载流子在迁移过程中被界面隙态捕获的几率，沟道越长载流子被捕获的几率越大，而宽度方向反映了载流子在迁移过程中躲避捕获的概率，沟道越宽载流子被捕获的概率越小。因此沟道的长宽比越小（沟道越宽）TFT 的阈值电压就越大。而载流子迁移率主要是受到有源层材料和氧空位以及界面态等因素的影响，当沟道宽度变化时其载流子迁移率几乎不会受到影响[3]

从AZTO 薄膜的XRD 表征中可以看出，薄膜仅在处存在衍射峰，此衍射峰属于硅衬底（400）面的衍射峰，表明溅射的AZTO 薄膜属于非晶结构。

从图7 的AFM 表征图中可以看出，在100 W 的溅射功率，氩氧比98 ∶ 2，溅射时间为15 min 的条件下，薄膜表面较为光滑平整，粗糙度较低没有过多的尖峰和凹陷。表明薄膜界面缺陷较小，薄膜质量较高，经过测量其粗糙度均方根值为591.062 pm。相对平整的薄膜有利于源漏电极与有源层建立良好的欧姆接触，对其电学性能的改善有较大影响[4,5]。

图7 AZTO 薄膜AFM 表征图

图8 为以蓝宝石玻璃为衬底，制备的AZTO 薄膜在可见光范围内的光透过率曲线，光透过率也是作为薄膜性能表现的一个重要参数，采用光透过率较高的薄膜制备的薄膜晶体管可用于制造透明显示面板[6]，从透过率曲线中可以明显看出AZTO 薄膜在可见光范围内（380 nm ～780 nm）的透过率达到90 %以上，具有良好的光透过性[7]。

图8 AZTO 薄膜的光学透过率曲线

3 总结

本文通过磁控溅射法，在硅片上制备了不同沟道宽度的AZTO 薄膜晶体管，主要研究了沟道宽度对器件电学性能的影响。实验结果表明：10 um 沟道相对于40 um沟道器件开关比提升了一个数量级。当栅极电压一定时，开态电流则会随着沟道宽度的缩小逐渐变大，即越窄的沟道宽度其开态电流越大。但阈值电压则会随着沟道宽度增加逐渐越小，这是由于随着沟道宽度的增加，载流子在移动的过程中被界面捕获的几率减小，因此阈值电压也相应减小。而载流子迁移率则几乎不会受到沟道长宽比的影响。从AFM、XRD 的表征中看出沟道的宽度并不会对薄膜质量有影响。