IGZO 薄膜晶体管的制备及其光电特性的研究

刘 璐 高晓红 孟 冰 付 钰 孙玉轩 王 森 刘羽飞 胡顶旺

(吉林建筑大学 电气与计算机学院,吉林 长春130000)

众所周知，薄膜晶体管（TFT）在平板显示（FPDs）领域充当着重要的角色，尤其是有源矩阵液晶显示器件（AMLCD）和有源矩阵有机发光二极管显示器件（AMOLED）中[1]。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。与其它沟道层材料相比，氧化物沟道层可以在较低的工艺温度实现更均匀更平整的薄膜、更高的迁移率和更低的开启电压。

在氧化物半导体材料中，以氧化锌（ZnO）为代表的宽禁带半导体材料更是因其优异的光电特性、低生长温度和高耐辐射性能等优点成为TFT 技术关注的热点，并在透明显示技术、传感器技术等诸多领域均有广泛应用。此外，它们的宽带隙也为其能够应用于光电探测领域提供了理论基础。在这项工作中，详细描述了器件的制作工艺，并对所制备的TFT 的电学和光电特性进行了分析和讨论。

1 实验方法

本研究在具有100nm 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。器件沟道长为10nm，宽为300nm。制备工艺为：在具有100nm 热氧化硅的p 型Si 片上用磁控溅射的方法沉积了50nm 厚的IGZO 有源层，再对样品进行图案化，再通过电子束蒸发（E-Beam）蒸镀了50nm 金属Al 源漏电极。使用KeysightB1500A 半导体参数测试仪测试TFT 器件的电学性能和在254nm、365nm 的光照下的光电响应特性。

2 结果与讨论

图2 中（a）展示IGZO TFT 在黑暗条件下的转移特性曲线，（b）展示了IGZOTFT 在黑暗条件下的输出特性曲线和（c）展示了在VDS为15V 时，IGZO 在黑暗条件下的滞回特性曲线。阈值电压（VTH）和饱和迁移率（μsat）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 总结了IGZOTFT 在不同VDS下主要电学参数。

图1 TFT 器件的结构示意图

图2（a）IGZO TFT 黑暗状态下的转移特性曲线；（b）IGZOTFT黑暗状态下的输出特性曲线（c）；IGZOTFT 黑暗状态下的滞回特性曲线

表1 IGZO TFT 电学性能参数

器件的饱和迁移率在源漏电压为5V 和10V 时随着源漏电压的增加而增加，在10V 和15V 时随着源漏电压的增加而减少，之后又随源漏电压的增加而增加。其电流开关比在5V 到15V 之间随着源漏电压的增加而增加，在15V 之后呈现了一个相反的趋势。IGZOTFT 的阈值电压、开启电压都随着源漏电压的增加均呈上升趋势。亚阈值摆幅则是稳定在2V/decade 左右。所以，在源漏电压为15V 时，IGZOTFT 器件的电学性能相对较好，饱和迁移率为1.65cm2/Vs，电流开关比达到10 的8 次方，阈值电压为29V，亚阈值摆幅大约为2V/decade，这与常规的有机或无机TFT 相比都要慢[2]。由图2（b）输出特性曲线可以看出来，在10V 的栅极偏置下，饱和电流约为1.2×10-11A；在20V 的栅极偏置下，饱和电流约为2.05×10-9A；在40V 的栅极偏置下，饱和电流约为1.35×10-4A。在相同栅极电压VGS下，随着VDS的增大，IDS先显著增大，随后趋于稳定，这表明栅极偏压VGS对器件的漏电流IDS有很好的调控作用，并具有较好的夹断特性。在输出特性 曲 线 中 没 有 观 察 到 电 流 拥 堵 现 象（currentcrowdingphenomena），说明IGZO 沟道和Al 电极之间具有良好的欧姆接触。由图2（c）可以看出IGZOTFT 器件存在非常明显的滞回现象，阈值电压偏移△VTH为3.3V，而且电流开关比也下降了一个数量级。阈值电压向正向漂移造成顺时针滞回，沟道层体缺陷和栅介电层与沟道层间的界面陷阱电荷时造成这种现象的主要因素[3]。当VGS正向扫描时，随着栅极电压的增加，一些载流子被沟道层体缺陷和位于栅介电层与沟道层之间界面附近的陷阱电荷捕获；当VGS反向扫描时，为了获得相同的沟道载流子浓度，需要更大的VGS来克服陷阱电荷对载流子的占用，从而使得阈值电压变大，转移特性曲线出现顺时针滞回[4]。

图3 显示了IGZO TFT 在光照条件下多个光周期下的动态响应。其中（a）是器件在254nm 光照条件下VDS为15V，VGS为8V 时的动态响应，（b）是器件在365nm 光照条件下VDS为15V，VGS为8V 时的动态响应。两次测试的光照周期为80s，开启时间为40s，关闭时间为40s。器件在254nm 的光照条件下，打开灯后，IDS迅速增加了四个数量级以上，但在365nm 光照时，IDS只增加了大约一个数量级。这和在转移、输出特性曲线中得到的结论相同，器件对254nm 和365nm 的光照都发生了响应，且254nm 的光照响应要大于365nm 的光照响应。但在关灯后，暗态下的电流都不能立即恢复到初始值，两种光照条件下的电流在40s 内都下降了大约一个数量级左右。这归因于与带隙中氧空位相关的严重缺陷导致的持续光电导（PPC）现象[5]。PPC 使半导体材料即使再没有光照的条件下，仍可以保持长时间的导电性，这使响应时间增长。但是整组数据是比较稳定和连续的。

3 结论

图3（a）IGZO TFT 在在源漏电压为15V，栅极偏置为8V 时正栅极脉冲的动态响应（样品在254nm 光照条件下）；（b）IGZO TFT 在源漏电压为15V，栅极偏置为8V 时正栅极脉冲的动态响应（样品在365nm 光照条件下）

利用湿法光刻技术和射频磁控溅射溅射的方法在Si 衬底上制备了底栅型IGZO 薄膜晶体管，研究了其电学和光电特性。在VDS为15V 时，得到了饱和迁移率为1.65cm2/Vs，电流开关比达到10 的8 次方，阈值电压为29V，亚阈值摆幅大约为2V/decade的开关器件。此外，通过在不同光照条件下的测试表明IGZOTFT 器件对254nm 和365nm 的光照都能发生响应，而且其对254nm 的光照响应要大于其对365nm 的光照响应。当栅极偏置为10V 时，漏电流在365nm 光照下提高了将近4 个数量级，而在254nm 光照下提高了将近6 个数量级，并且能够得到稳定、连续的动态响应。因此，以IGZO 为有源层的TFT 可以应用于光电探测领域。