氧化锌薄膜晶体管电性能的温度特性

王 聪，刘玉荣( 1. 汕尾职业技术学院 电子信息系，广东 汕尾 516600; 2. 华南理工大学 a. 电子与信息学院; b. 国家移动超声探测工程技术研究中心，广州 510640 )



氧化锌薄膜晶体管电性能的温度特性

王 聪1,2a，刘玉荣2a,2b
( 1. 汕尾职业技术学院 电子信息系，广东 汕尾 516600; 2. 华南理工大学 a. 电子与信息学院; b. 国家移动超声探测工程技术研究中心，广州 510640 )

摘要：采用射频磁控溅射法成功制备了ZnO薄膜晶体管(ZnO-TFT)，研究了ZnO-TFT电学性能的温度依赖性及其影响机理。从室温27 ℃到210 ℃的变化范围，随着器件温度的升高，ZnO-TFT的开关电流比和阈值电压都有明显的减小，亚阈值摆幅明显升高，有效场效应迁移率先增加再逐渐减小。电性能的变化主要来源于因温度升高引起的沟道有源层载流子浓度增加，点缺陷的形成，界面散射增强等多种因素复合作用所致。另外，当器件温度逐渐冷却至初始温度过程，器件的电特性与升温前存在一定的迟豫现象，这主要是由于升温期间ZnO薄膜有源层中产生的点缺陷(氧空位和间隙氧原子)，以及被缺陷态陷阱的电子需要较长时间通过复合而消失。

关键词：薄膜晶体管；氧化锌；电特性；温度特性

0 引 言

近年来，随着阴极射线管显示器(CRT)逐渐淡出显示器市场，如今，平板显示器已成为显示器市场的主流。目前，平板显示器主要包括有源矩阵液晶显示器(AMLCD)和有源矩阵有机发光二极管显示器(AMOLED)。对于有源矩阵平板显示器而言，薄膜晶体管(TFT)器件对平板显示器的性能起到至关重要的作用，因此，薄膜晶体管技术已成为决定平板显示器技术发展重要因素[1-2]。其中氧化锌基薄膜晶体管(ZnO-TFT)具有制造工艺简单、抗辐射能力强、迁移率高、环保无污染、可见光透明、资源丰富、价格低廉等优势[3-4]，在平板显示、太阳能电池、光电探测器、集成电路和传感器等领域具有广阔的应用前景[5]。

氧化锌基薄膜晶体管较传统非晶硅薄膜晶体管具有更高的有效场效应迁移率和电流驱动能力，且制备工艺较简单，ZnO-TFT最有望成为新一代薄膜晶体管技术[6-7]。尽管ZnO-TFT具有较大的优势，但是ZnO-TFT器件的稳定性仍然是困扰其实现产业化的关键问题。ZnO-TFT的不稳定性突出表现在阈值电压漂移、亚阈值摆幅大等方面，其中阈值电压漂移严重影响了平板显示器亮度的均匀性[8]。目前，氧化物薄膜晶体管稳定性研究主要集中在电压应力、电流应力和空气环境下的稳定性[9-10]。然而，当氧化物薄膜晶体管作为显示器的驱动器件长时间工作时，除了受到长时间的电压和电流应力作用，同时由于显示器基板背光的光热效应以及器件自身的焦耳热，会导致器件工作温度的变化，因此器件的热稳定性在实际应用中亦至关重要。目前，对氧化物TFT热稳定性的研究报道较少，Estrada 等报道了ZnO-TFT电特性的温度依赖性，主要表现为随着工作温度的升高，阈值电压向负栅偏压方向漂移[11]。本文采用射频磁控溅射法制备了底栅顶接触型ZnO-TFT器件，研究了工作温度对ZnO-TFT电学特性的影响，讨论了ZnO-TFT的热稳定性。

1 实 验

实验中制备的氧化锌基薄膜晶体管器件为底栅顶接触型结构，其衬底和栅电极(G)都采用晶向为(100)、电阻率为0.6～1.2 Ω·cm的n+型单晶硅片制备；栅介质层为二氧化硅薄膜，采用干氧氧化法生长；有源层为氧化锌薄膜，采用射频磁控溅射法沉积；源(S)和漏(D)电极采用Al电极，采用真空蒸镀法制作[12]。ZnO-TFT器件的有源层采用射频磁控溅射法沉积氧化锌薄膜而成，靶材为高纯度的氧化锌，溅射前反应室真空度为1.9×10-4Pa，40:8的氩气与氧气流量比，200 ℃的基底温度，60 W的射频功率，10 r/min的样品自转速率，溅射时反应室压强为0.5 Pa，溅射时间为60 min；采用电容分析仪(Agilent 4284A型)测得ZnO-TFT器件单位面积栅介质电容(Cox)为26.8 nF/cm2；ZnO-TFT器件的沟道长度(L)和宽度(W)由真空蒸镀源、漏电极时采用的掩膜版图形决定，分别为250 μm和30 μm；采用光反射测厚仪(NanoCal 2000型)测量薄膜厚度，测得栅介质层的二氧化硅薄膜厚度为120 nm，测得有源层氧化锌薄膜厚度为100 nm；采用可加热探针台(CASCADE RF-1型)和半导体参数分析仪(Agilent 4156C型)组成的测试系统测量氧化锌基薄膜晶体管器件的电学特性，为了确保探针台加热系统显示的温度值更接近器件内部的工作温度，升、降温过程每个测试温度点稳定20 s后再进行器件电特性测试。

2 结果与讨论

图1为氧化锌基薄膜晶体管器件在27 ℃室温无光时的输出特性和转移特性。如图1(a)所示，该器件表现出良好的饱和特性，且工作于增强型；栅电压和漏电压都是正向偏压，说明有源层的氧化锌薄膜为n型半导体层；当该器件的漏源电压(VDS)和栅源电压(VGS)分别为20 V和30 V时，漏电流(ID)为7.3×10-7A。

如图1(b)所示，ZnO-TFT器件表现出良好的开关特性，漏电流可以被栅电压较好地控制；当逐渐对栅偏压增加负向电压时，漏电流并无明显增加，晶体管保持关断状态，关态电流小于5.3×10-10A；当逐渐加大栅偏压的正向电压时，晶体管保持处于导通状态；当漏源电压(VDS)和栅源电压(VGS)分别为30 V和40 V时，该器件的开态漏电流(ID)可以达到4.1×10-6A。

当薄膜晶体管处于饱和状态时，源、漏极间的饱和电流ID,sat可以表示为

式中：Cox为薄膜晶体管的单位面积栅介质电容，μeff为饱和区载流子有效场效应迁移率，Vth为阈值电压，W和L分别为ZnO-TFT器件沟道的宽度和长度。为了估算ZnO-TFT器件的μeff和Vth的值，图1(b)绘制了与VGS的关系曲线，μeff可根据与VGS变化关系通过式(2)求得：

图1 室温下ZnO-TFT的电特性Fig.1 Electrical characteristics of ZnO-TFT at room temperature

图2为ZnO-TFT器件从27 ℃逐步上升至210 ℃过程中的转移特性。由图2(a)可知，在低温区(＜80 ℃),晶体管都呈现出相对较好的开关特性，而在较高温度区(＞100 ℃)，开关特性明显变差；当温度高于160 ℃，晶体管的转移特性曲线趋于直线，晶体管基本失去了开关控制作用。从图2(a)还可以发现，该ZnO-TFT处于不同的工作区域时漏电流随温度的变化关系呈现出不同的规律性。晶体管处于开态时漏电流随温度升高先增加而后减小，而当晶体管处于关态时，漏电流随温度升高呈单调递增趋势。

图2 升温过程转移特性与温度之间的依赖关系Fig.2 Temperature dependence of transfer characteristics in ascending sequence

为了进一步分析工作温度对器件性能参数的影响，图2(b)给出了当VDS=30 V时测试温度从27 ℃上升至210 ℃时ZnO-TFT的与VGS的关系曲线。利用式(2)由图2(b)可提取出不同测试温度下ZnO-TFT器件的主要电性能参数，如图3所示。由图3(a)可知，ZnO-TFT的阈值电压随着测试温度的升高向负栅偏压方向漂移，直到温度升高至160 ℃后向正栅偏压方向少许移动。阈值电压随着温度的升高向负栅偏压方向漂移，这主要是因为随着温度的升高，ZnO薄膜有源层中本体载流子浓度增加所致[13-14]。载流子有效场效应迁移率随温度的升高先增加，当温度升至60 ℃附近出现最大值，而后开始逐渐减小。一般而言，迁移率主要由杂质缺陷散射和晶格振动散射两方面决定，在低温区杂质缺陷散射占主导，温度升高，杂质散射减弱，所以迁移率增大；在高温区以晶格振动散射为主，温度越高散射增强，因此迁移率随温度升高反而减小。对于硅基场效应晶体管，迁移率的最大值在-103 ℃附近[15]，而对于我们的器件，迁移率最大值的温度点比硅基MOSFET高约160 ℃，这是因为ZnO有源层中的氧空位的电离能(～1.3 eV)远高于硅单晶中磷杂质的电离能(～0.044 eV)，从而使杂质电离的温度区向高温端偏移。而高于60 ℃后出现的迁移率减小主要来源于晶格散射的增强和点缺陷的增加。由图3(b)可知，随着温度的升高，亚阈值摆幅不断增加，这是由于温度升高，氧原子因热激发而离开初始位置，产生氧空位，受激发的氧原子形成间隙氧，产生新的点缺陷，从而导致亚阈值摆幅增加[13]。开关电流比随着温度的升高而减小，这也可以解释为因温度升高引起与氧相关的点缺陷(氧空位和间隙氧)增加，从而导致关态电流增加所致。

图3 ZnO-TFT的性能参数与温度之间的变化关系Fig.3 Temperature dependence of electrical parameters of ZnO-TFT in ascending sequence

为了更进一步描述漏电流与温度的变化关系，图4给出了ZnO-TFT器件处于开态(VDS=30 V，VGS=40 V)和关态(VDS=30 V，VGS=-10 V)时漏电流随测试温度变化的关系曲线。由图4可知，当晶体管处于开态(图4大图所示)时，温度从室温27 ℃升至80 ℃的过程，开态电流有所增加，漏极电流从5.4 μA升高至11 μA；而当温度从80 ℃升至160 ℃时，开态电流从11 μA下降到1.7 μA；当温度高于160 ℃后，开态电流又出现一定的回升。漏电流随温度的变化关系受载流子浓度和迁移率随温度的变化关系两方面决定。低温段(＜80℃)，由于迁移率和载流子浓度随温度增加而增加，因此在相同偏压下漏电流增加；高温段(80 ℃～160℃)，尽管载流子浓度随温度升高有所增加，但迁移率随温度升高而明显减小，从而导致漏电流减小。当晶体管处于关态时(图4(b)所示)，从室温到230 ℃，器件的关态电流总体呈现增加趋势，从0.55 nA升至125 nA。在180 ℃附近出现回落后又快速增加，其产生原因有待于进一步研究。

为了更深入分析氧化锌基薄膜晶体管的温度特性，当ZnO-TFT器件的测试温度升高到230 ℃时且稳定后，逐渐给该器件降温直至降到室温(30 ℃)，并测得不同温度点下ZnO-TFT器件的转移特性曲线，如图5所示。随着测试温度的降低，器件的开态电流逐渐增加，开关特性逐渐恢复，器件各项电学特性逐渐恢复到升温前的初始状态。利用式(1)和(2)，当VDS=30 V时，由图5可计算得到ZnO-TFT器件不同测试温度下的主要电特性参数，如表1所示。

图4 不同工作区域漏电流与温度的变化关系Fig.4 Drain current versus temperature for different operation regions

图5 降温过程中转移特性与温度之间的依赖关系Fig.5 Temperature dependence of transfer characteristics in descending sequence

由表1可知，ZnO-TFT随着测试温度的下降，亚阈值摆幅逐渐减小，当温度下降至30℃时，亚阈值摆幅渐渐恢复至升温前的水平；阈值电压、开关电流比和载流子有效场效应迁移率总体趋于增大，与升温过程相比，器件的电特性存在一定的迟豫，这是因为升温过程晶格位置上的氧原子离开后产生的点缺陷(氧空位和间隙氧)，在降温过程无法立即复合而消失，而需要较长时间才能恢复至初始态。值得一提的是，当温度降到室温时，载流子迁移率为升温前的两倍，约为0.24 cm2·V-1·s-1。这可能是由于在ZnO-TFT制备过程蒸镀源、漏电极后并没有进行退火处理，升温过程有助改善源、漏Al电极与ZnO之间的接触，从而降低了接触电阻所致。另外，降温后开关电流比比初始值下降近一个数量级，仅为1.4×103。这也可以解释为升温过程氧原子离开后产生的点缺陷(氧空位和间隙氧)因降温过程来不及即时复合，从而导致关态电流比初始值高出一个数量级。

表1 降温过程ZnO-TFT的主要电学参数Table 1 The main electrical parameters of the ZnO-TFT device in descending sequence

3 结 论

采用射频磁控溅射法制备了ZnO-TFT，研究其电学特性与工作温度之间的依赖关系。实验结果表明：该器件呈现出良好的场效应晶体管特性，表现出优良的饱和特性。在室温27 ℃到210 ℃之间，随着温度的升高，ZnO薄膜有源层中本体载流子浓度增加，从而导致ZnO-TFT的阈值电压向负栅偏压方向移动；载流子有效场效应迁移率先略增加再逐渐减小，这来源于有源层中点缺陷的增加和载流子散射强弱的变化双重作用；亚阈值振幅和关态电流随温度升高而增大，主要是由于温度诱导点缺陷的形成。降温恢复过程，器件的电性能存在一定的迟豫，这主要是由于升温期间ZnO薄膜有源层中产生的点缺陷(氧空位和间隙氧原子)通过复合而消失需要一个较长的时间。

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Temperature Dependence of the Electrical Characteristics of ZnO Thin Film Transistors

WANG Cong1,2a，LIU Yurong2a, 2b
( 1. Department of Electronic Information, Shanwei Vocational and Technical College, Shanwei 516600, Guangdong Province, China; 2.a School of Electronic and Information Engineering; b. National Enginering Technology Research Center for Mobile Ultrasonic Detection, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China )

Abstract:ZnO-based Thin Film Transistors (ZnO-TFTs) were fabricated by Radio Frequency (RF) magnetron sputtering successfully, and the temperature dependence and influence mechanism of the electrical characteristics of ZnO-TFTs are investigated. With the increase of the test temperature in the temperature range from 27 ℃ to 210 ℃, the on/off current ratio and the threshold voltage of the ZnO-TFT decrease significantly, and the subthreshold swing increases obviously, and the carrier mobility increases firstly and then decreases gradually. The change of electrical properties is mainly due to the combination effect of the increase of carrier concentration, the generation of point defects, and the enhancement of interface scattering in the channel active layer caused by the temperature increase. In addition, when the device is instantaneously cooled to the initial temperature, there is a hysteresis in the electrical characteristics. The main reason is that the recombination process need take a long time to reach the initial state for the generated point defects and interstitial oxygen atoms in the active layer caused by high temperature on the heating stage.

Key words:thin film transistor; zinc oxide; electrical characteristics; temperature dependence

作者简介：王聪(1980-)，男(汉族)，广东揭阳人。讲师，硕士，主要从事半导体器件物理方面的教学与研究。E-mail:congw4026@qq.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(61076113)

收稿日期：2015-11-17； 收到修改稿日期：2015-12-28

文章编号：1003-501X(2016)02-0050-05

中图分类号：TN321+.5

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2016.02.009