鐠摻雜銦鎵氧化物薄膜晶體管的低頻噪聲特性分析*

朱宇博 徐華 李民 徐苗3) 彭俊彪

1) (華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院, 廣州 510640)

2) (廣州新視界光電科技有限公司, 廣州 510530)

3) (華南理工大學(xué)高分子光電材料與器件研究所, 發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510640)

本文研究了鐠摻雜銦鎵氧化物 (PrIGO)薄膜晶體管 (thin film transistor, TFT) 的低頻噪聲特性.根據(jù)低頻噪聲測(cè)試分析結(jié)果得知: IGO-TFT和PrIGO-TFT器件溝道電流的功率譜密度與頻率的關(guān)系均滿足1/fγ(γ ≈ 0.8) 的關(guān)系, 符合載流子數(shù)漲落模型.通過(guò)研究不同溝道長(zhǎng)度對(duì)器件低頻噪聲的影響, 明確了器件的噪聲主要來(lái)源于溝道區(qū)而非源/漏接觸區(qū).基于載流子數(shù)漲落模型, 提取界面處的缺陷態(tài), 發(fā)現(xiàn)Pr元素?fù)诫s會(huì)在IGO體系中誘導(dǎo)出缺陷態(tài).而該缺陷態(tài)可以作為電離氧空位和電子的復(fù)合中心, 進(jìn)而改善氧化物TFT器件中由氧空位所導(dǎo)致的光照負(fù)偏壓 (negative bias illumination stability, NBIS) 穩(wěn)定性問(wèn)題.

1 引 言

金屬 氧化物薄膜晶體管 (metal oxide thin film transistor, MOTFT) 因其具有較高的遷移率、均勻性較好、開(kāi)關(guān)電流比大以及透光性佳等優(yōu)點(diǎn)[1-3], 在顯示領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力, 其制備和電學(xué)性能研究已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn).

目前為止, 實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化的金屬氧化物以銦鎵鋅氧化物 (indium gallium zinc oxide, IGZO) 為主,相比之下銦鎵氧化物 (indium gallium oxide, IGO)未含有相對(duì)弱結(jié)合的Zn-O結(jié)合鍵, 其不易形成由于“熱載流子”沖擊而造成器件性能退化的現(xiàn)象[4],這在實(shí)際的產(chǎn)品應(yīng)用中具有較強(qiáng)的吸引力.但是,三元的銦鎵氧化物相對(duì)較易結(jié)晶[5], 其在大面積均勻性方面有一定的影響.另外, 根據(jù)薄膜晶體管(thin film transistor, TFT)的實(shí)際工作狀態(tài), TFT會(huì)長(zhǎng)時(shí)間的工作在負(fù)偏壓狀態(tài), 而且會(huì)受到周圍環(huán)境光或自身像素點(diǎn)發(fā)光照射的影響, 因此, 研究負(fù)偏壓和光照共同作用下的薄膜晶體管的穩(wěn)定性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.目前, 光照下的負(fù)偏壓穩(wěn)定性(negative bias illumination stability, NBIS) 較差是當(dāng)前氧化物薄膜晶體管在實(shí)際應(yīng)用中必須面對(duì)的挑戰(zhàn)[6-8].通常需要增加遮光層以降低光照對(duì)器件的惡化, 但這必然會(huì)導(dǎo)致制造成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜程度的增加.我們前期的研究表明, 通過(guò)在氧化銦鋅(indium zinc oxide, IZO)體系材料中摻入一定量的氧化鐠, 可以在基體材料的淺能級(jí)處誘導(dǎo)出受主缺陷態(tài), 該缺陷態(tài)可以作為電離的氧空位與離化電子的復(fù)合中心, 能有效地改善薄膜晶體管與光照相關(guān)的穩(wěn)定性[9].因此, 本文將基于IGO體系, 通過(guò)引入鐠離子制備氧化物半導(dǎo)體材料鐠銦鎵氧(PrIGO),以改善器件光穩(wěn)定性.通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體器件的噪聲特性分析, 研究稀土元素?fù)诫s前后的薄膜晶體管低頻噪聲的物理機(jī)制.噪聲特性分析作為模擬電路應(yīng)用中關(guān)鍵參數(shù), 可評(píng)估后續(xù)電路和系統(tǒng)可以檢測(cè)和處理的信號(hào)電平的下限, 而且噪聲是決定系統(tǒng)分辨力和信噪比的主要因素[10].器件噪聲的大小直接影響整個(gè)電子系統(tǒng)的性能與可靠性, 而且能直接地反映器件內(nèi)部, 特別是界面中缺陷狀態(tài)和數(shù)量[11,12].因此, 我們嘗試引入噪聲分析, 進(jìn)一步研究稀土氧化物在半導(dǎo)體器件中的影響.

本文制備了高穩(wěn)定性的稀土元素鐠摻雜的氧化銦鎵薄膜晶體管, 進(jìn)一步研究了稀土元素鐠摻雜對(duì)器件低頻噪聲特性的影響, 分析了器件的低頻噪聲來(lái)源以及適用機(jī)理, 研究了不同溝道長(zhǎng)度對(duì)器件低頻噪聲特性的影響, 并提取界面處的缺陷態(tài); 進(jìn)一步印證了在氧化銦鎵基體材料中進(jìn)行稀土氧化鐠摻雜亦會(huì)產(chǎn)生作為光生載流子復(fù)合中心的“缺陷態(tài)”的結(jié)論.

2 IGO-TFT和PrIGO-TFT器件制備與性能

2.1 IGO-TFT和PrIGO-TFT器件制備

如圖1(a)所示, 所用器件均采用刻蝕阻擋層(etch stop layer, ESL) 結(jié)構(gòu).首先, 采用直流磁控濺射的方式在玻璃襯底上濺射一層200 nm厚的柵極金屬鉬 (Mo) 層, 利用濕法刻蝕對(duì)柵極薄膜進(jìn)行圖形化.然后, 通過(guò)等離子體增強(qiáng)型化學(xué)沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD) 技術(shù)制備雙層堆疊的柵絕緣層, 下層為250 nm厚的氮化硅薄膜, 上層為50 nm厚的二氧化硅薄膜, 利用干法刻蝕進(jìn)行圖形化.隨后, 通過(guò)物理氣相沉積 (physical vapor deposition, PVD)分別制作一層30 nm厚的IGO (In/Ga = 2 mol/1 mol) 薄膜或PrIGO (Pr/In/Ga = 0.2 mol/2 mol/1 mol) 薄膜作為薄膜晶體管器件的有源層; 濺射氣壓為5 mTorr, 濺射氣氛為氧氣和氬氣的混合氣體, 氧氣所占比例為20%, 濺射功率為300 W, 利用草酸進(jìn)行刻蝕圖形化.再次通過(guò)PECVD制作一層300 nm厚的二氧化硅薄膜作為刻蝕阻擋層, 利用干法刻蝕進(jìn)行薄膜圖形化.隨后, 采用直流磁控濺射方式制備一層200 nm厚的鉬金屬作為源漏電極, 以濕法刻蝕方式進(jìn)行圖形化.最后, 所有器件在350 ℃空氣氛圍中退火30 min.采用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀Agilent B1500 A和Platform-da FSPro分別對(duì)器件的電流-電壓特性和噪聲特性進(jìn)行表征測(cè)試.

圖1 IGO-TFT和PrIGO-TFT (a) 結(jié)構(gòu)示意圖; (b) 轉(zhuǎn)移特性曲線; IGO-TFT (c) 和PrIGO-TFT (d) NBIS穩(wěn)定性Fig.1.(a) Cross section views and (b) transfer characteristics of IGO-TFT and PrIGO-TFT; NBIS stability of (c) IGO-TFT and(d) PrIGO-TFT.

2.2 IGO-TFT和PrIGO-TFT器件性能

如圖1(b)所示為IGO-TFT和PrIGO-TFT的轉(zhuǎn)特性曲線, 器件W/L均為20 μm/10 μm.器件工作在線性區(qū) (VDS≤ VGS- Vth) 時(shí), 通常VDS的值比較小, 漏源電流 (IDS) 表達(dá)式為

式中, VDS為源漏電壓; VGS為柵電壓; W/L為器件的寬長(zhǎng)比;μFE為場(chǎng)效應(yīng)遷移率; Cox為柵絕緣層的單位面積電容; Vth為閾值電壓.取VDS= 0.1 V,通過(guò)擬合IDS-VGS曲線, 可以計(jì)算得到器件的場(chǎng)效應(yīng)遷移率, 擬合曲線的反向延長(zhǎng)線與橫坐標(biāo)的截距為閾值電壓.亞閾值擺幅 (SS) 由下式定義

通過(guò)相關(guān)參數(shù)提取可知, IGO-TFT器件Vth為0.3 V, 載流子的 μFE為19.9 cm2·V-1·s-1, SS為0.19 V/decade, 電流開(kāi)關(guān)比 (Ion/Ioff) 約 為109,PrIGO-TFT器件Vth為0.9 V, 器件的μFE為15.1 cm2·V-1·s-1, SS為0.19 V/decade, Ion/Ioff約為109.圖1(c)和圖1(d)分別為IGO-TFT和PrIGO-TFT在光照條件下的負(fù)偏壓穩(wěn)定性 (測(cè)試條件: VGS= -30 V, VDS= 0 V, 光強(qiáng) = 10000 nits).由圖1(c)和圖1(d)可知, IGO-TFT在偏壓測(cè)試7200 s后, 開(kāi)啟電壓Von(器件源漏電流IDS為10 nA時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵極電壓) 漂移量為-8.4 V, 而PrIGOTFT在偏壓測(cè)試7200 s后, 開(kāi)啟電壓Von漂移量?jī)H為-1.8 V.很顯然, 稀土鐠元素的摻入可以有效的提高器件的NBIS穩(wěn)定性.

根據(jù)我們前期的研究結(jié)果可知, 在IZO基材中摻入氧化鐠可以有效地改善器件的光偏壓穩(wěn)定性; 其主要機(jī)制是稀土元素鐠可以在基材中靠近費(fèi)米能級(jí)附近引入淺能級(jí)的“受主缺陷”, 該缺陷可以作為光生載流子的復(fù)合中心.在器件基本性能方面, 主要表現(xiàn)為器件的亞閾值擺幅有一定的增加;但是, 在本文研究的IGO基材中, IGO-TFT和PrIGO-TFT的SS幾乎一致 (～0.19 V/decade),而NBIS穩(wěn)定性亦獲得了明顯的改善.因此, Pr是否能在IGO基材中引入作為“受主缺陷”的復(fù)合中心, 有必要對(duì)其NBIS改善的機(jī)制做進(jìn)一步的研究.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 薄膜結(jié)晶特性研究

圖2(a)為IGO薄膜和稀土鐠元素?fù)诫s的PrIGO薄膜的X射線衍射 (X-ray diffraction, XRD)譜圖.如圖2(a)可知, IGO薄膜的衍射譜中有一明顯的結(jié)晶峰位 (31.33°), 根據(jù)衍射譜圖可知其對(duì)應(yīng)氧化銦 (In2O3) 的 (222) 晶面[13].當(dāng)一定量的氧化鐠摻雜到IGO基體材料后, 可以明顯地看出In2O3(222) 晶面處的結(jié)晶峰消失.其原因可能是由于Pr離子 (～101 pm) 的半徑大于In離子 (～81 pm)和Ga離子 (～62 pm), Pr離子的摻入, 會(huì)使IGO基體產(chǎn)生晶格畸變, 從而使IGO基體向非晶狀態(tài)轉(zhuǎn)變.因此, 氧化鐠的摻入可以促進(jìn)IGO薄膜的非晶化, 從而保證了薄膜大面積的均勻性; 并且在載流子的傳輸過(guò)程中, 有效地降低薄膜晶界散射的影響.

圖2(b)為IGO薄膜和稀土鐠元素?fù)饺氲腜rIGO薄膜的紫外-可見(jiàn)透射光譜圖.由圖2(b)可知,IGO薄膜和PrIGO薄膜在可見(jiàn)光波段內(nèi)的平均透過(guò)率均大于80%.在紫外光波段, Pr摻入的PrIGO薄膜透過(guò)率曲線相對(duì)IGO薄膜發(fā)生了輕微的紅移現(xiàn)象.通過(guò)Tauc公式進(jìn)行計(jì)算薄膜光學(xué)帶隙的大小, 具體公式為

式中, α表示吸收系數(shù); hv表示光子能量; Eg表示光學(xué)帶隙; C表示比例常數(shù).如圖2(b)插圖所示,以hv為橫坐標(biāo), (αhv)2為縱坐標(biāo), 作出 (αhv)2隨hv變化曲線的切線, 該切線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)即為薄膜的光學(xué)帶隙.通過(guò)該方法獲得了IGO和PrIGO薄膜的光學(xué)帶隙分別為3.54 eV和3.47 eV.可知,Pr元素的摻入會(huì)導(dǎo)致薄膜光學(xué)帶隙的減小, 所以器件NBIS穩(wěn)定性的提高并不是由于光學(xué)帶隙的展寬所引起的.

圖2(c)為IGO薄膜和PrIGO薄膜的X射線光電子能譜 (X-ray photoelectron spectroscopy,XPS) 表征的全譜圖, 圖2(c) 的插圖為IGO和PrIGO薄膜總譜圖能量在920-960 eV之間的局部放大圖, 從局部放大圖中可以明顯地看出, IGO薄膜沒(méi)有出現(xiàn)明顯的峰位鐠, 而PrIGO薄膜在933.5和953.5 eV處出現(xiàn)了兩個(gè)主峰位, 分別對(duì)應(yīng)Pr 3d5/2和Pr 3d3/2.此外, 根據(jù)XPS測(cè)試分析,各元素的百分比含量如表1所列.由表1可以看出, PrIGO和IGO薄膜各元素的百分比含量與實(shí)際靶材中的百分比含量基本相似, 說(shuō)明稀土元素Pr在IGO中能實(shí)現(xiàn)良好的摻入.

圖2 IGO和PrIGO薄膜 (a) X射 線衍射 譜圖; (b) 紫外-可見(jiàn)透射光譜圖 (插圖為 (αhv)2隨hv變化曲線); (c) X射線光電子能譜圖 (插圖為局部放大圖)Fig.2.(a) X-ray diffraction spectra, (b) UV-visible transmission spectra (the inset shows the curve of (αhv)2 varying with hv) and (c) X-ray photoelectron spectroscopy (the inset is a partial enlarged view) of IGO and PrIGO thin film.

表1 IGO和PrIGO薄膜中各元素的百分比含量Table 1.Percentage contents of each element in IGO and PrIGO films.

3.2 IGO-TFT和PrIGO-TFT的低頻噪聲特性與影響機(jī)制

在獲得了較好的器件穩(wěn)定性后, 有必要對(duì)器件的改善機(jī)制做進(jìn)一步的研究.大量研究表明, 器件的低頻噪聲特性是表征器件缺陷機(jī)制的有效手段.

眾所周知, 半導(dǎo)體器件的的噪聲來(lái)源于某一物理量的隨機(jī)起伏, 半導(dǎo)體器件中的噪聲一般分為白噪聲 (white noise)、閃爍噪聲 (1/f噪聲) 以及產(chǎn)生復(fù)合噪聲 (G-R噪聲)[14].不同噪聲的產(chǎn)生機(jī)制各不相同, 由于在低頻情況下, 1/f噪聲和G-R噪聲較為顯著, 故統(tǒng)稱為低頻噪聲.由于1/f噪聲是由器件界面缺陷及氧化層陷阱電荷所引起的, 因此,通過(guò)對(duì)IGO-TFT和PrIGO-TFT器件低頻噪聲特性的研究, 能反映出器件內(nèi)在的質(zhì)量與可靠性.

在VDS= 0.1 V, 過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓VGS- Vth= 10.1 V條件下, IGO-TFT和PrIGO-TFT歸一化的噪聲功率譜密度隨頻率的變化如圖3所示.由圖3可以看出, 在10 Hz ＜ f ＜ 1 kHz時(shí), 通過(guò)1/fγ擬合, 得出γ ≈ 0.8; 當(dāng)f ＞ 1 kHz時(shí), IGOTFT和PrIGO-TFT的值隨著頻率的改變幾乎沒(méi)有變化, 對(duì)于更高的頻率而言, 1/f噪聲通常湮沒(méi)在背景噪聲和或熱噪聲中而不可測(cè).本文主要研究1/f噪聲, 下文低頻噪聲測(cè)試頻率范圍均為10 Hz至1 kHz.另外, γ因子還反映了界面附近缺陷態(tài)的縱向分布.當(dāng)γ ＞ 1時(shí), 說(shuō)明有源層內(nèi)的缺陷密度小于柵氧化層內(nèi)的缺陷密度; 當(dāng)γ ＜ 1時(shí),說(shuō)明有源層內(nèi)的缺陷密度大于柵氧化層內(nèi)的缺陷密度[15].因此, 由γ ≈ 0.8可以得出, 在IGO-TFT和PrIGO-TFT的有源層與柵絕緣層的界面處, 有源層IGO和PrIGO一側(cè)的缺陷態(tài)密度大于二氧化硅一側(cè)的缺陷態(tài)密度.

圖3 IGO-TFT和PrIGO-TFT歸一化噪聲功率譜密度隨頻率的變化Fig.3.Normalized noise power spectral densities (SID/I2DS)versus frequency in the IGO-TFT and PrIGO-TFT.

3.3 IGO-TFT和PrIGO-TFT的低頻噪聲特性的來(lái)源

在明確了低頻噪聲滿足1/fγ, 而且噪聲主要來(lái)源于有源層一側(cè)的影響后; 對(duì)于ESL結(jié)構(gòu)的器件而言, 柵極與源漏電極之間的交疊區(qū)域是比較大的, 因此需要進(jìn)一步研究器件低頻噪聲的空間位置的來(lái)源, 明確源/漏結(jié)接觸是否對(duì)器件的低頻噪聲產(chǎn)生影響.

若器件低頻噪聲由溝道電阻和源/漏接觸區(qū)引起, 噪聲功率譜密度可以表達(dá)為[16]

式中, Sch表示溝道產(chǎn)生的噪聲功率譜密度; Scont表示接觸電阻引起的噪聲功率譜密度; Rch表示溝道電阻; Rcont表示接觸電阻 (Rch?Rcont); 如果溝道噪聲是主要的, 即Sch?Scont, (4)式可表達(dá)為

如果接觸噪聲是主要的, 即Sch?Scont, (4)式可表達(dá)為

根據(jù)(5)式和(6)式可知, 通過(guò)歸一化的噪聲功率譜密度與溝道長(zhǎng)度的變化關(guān)系可以確定源/漏接觸區(qū)是否對(duì)器件低頻噪聲產(chǎn)生影響.固定VGS-Vth=10.1 V, 在VDS= 1.1 V的情況下分別對(duì)寬長(zhǎng)比為10 μm /10 μm, 10 μm /20 μm, 10 μm /40 μm三種器件進(jìn)行低頻噪聲測(cè)量, 器件歸一化的噪聲功率譜密度隨頻率的變化如圖4(a)和圖4(b)所示.

圖4 不同溝道長(zhǎng)度的IGO-TFT (a) 和PrIGO-TFT (b) SID/I2DS隨頻率的變化Fig.4.SID/I2DS versus frequency in the (a) IGO-TFT and(b) PrIGO-TFT with different channel length.

根據(jù)圖4(a)和圖4(b), 在f = 10 Hz時(shí), 提取不同溝道長(zhǎng)度器件對(duì)應(yīng)的值, 如圖5(a)所示, IGO-TFT和PrIGO-TFT的值隨的溝道長(zhǎng)度的增加而線性減小, 對(duì)應(yīng)的斜率分別為-1.08和-0.97, 均約等于-1.因此, 基于該實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以很明確地得出IGO-TFT和PrIGO-TFT器件的低頻噪聲主要來(lái)源于器件溝道區(qū)的閃爍噪聲, 并且可以忽略源/漏接觸區(qū)對(duì)器件低頻噪聲的影響.

圖5 IGO-TFT和PrIGO-TFT (a) SID/I2DS隨溝道長(zhǎng)度的變化; (b) SID/IDS2隨過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓VGS-Vth的變化Fig.5.SID/I2DS versus (a) channel length and (b) overdrive voltage (VGS-Vth) in the IGO-TFT and PrIGO-TFT.

確定了低頻噪聲的空間位置主要來(lái)源于溝道區(qū)后, 需進(jìn)一步明確低頻噪聲的影響機(jī)理; 對(duì)于MOS管低頻噪聲的影響機(jī)理, 目前主流的解釋有三種模型: 載流子數(shù)波動(dòng)模型、遷移率波動(dòng)模型、載流子數(shù)波動(dòng)及其誘導(dǎo)遷移率波動(dòng)模型[17].當(dāng)器件工作在線性區(qū)時(shí), 對(duì)于載流子數(shù)波動(dòng)模型, 歸一化的漏極電流噪聲功率譜密度可以近似表示為[18]

式中, k*取決于有源層與絕緣層界面附近缺陷俘獲和釋放載流子的效應(yīng); Cox為單位面積的柵絕緣層電容; f為頻率.對(duì)于遷移率波動(dòng)模型, 歸一化的漏極電流噪聲功率譜密度可以近似表示為[19]

式中, αH為Hooge因子, 可用于評(píng)價(jià)不同器件和材料的品質(zhì).另外一種模型是兩種的混合模型, 載流子數(shù)波動(dòng)及其誘導(dǎo)遷移率波動(dòng)模型.由(7)式和(8)式, 可以得出通過(guò)與過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓(VGS- Vth) 之間的關(guān)系來(lái)判斷IGO-TFT和PrIGOTFT器件低頻噪聲的所適用的模型.為確定器件低頻噪聲的影響機(jī)理, 在VDS=0.1 V條件下, 變換不同的VGS- Vth, 對(duì)器件進(jìn)行測(cè)量.當(dāng)頻率f = 10 Hz時(shí), 提取隨VGS- Vth的變化關(guān)系如圖5(b)所示.由圖5(b)可知, IGO-TFT器件的隨VGS-Vth的變化斜率約為-1.8, 而PrIGO-TFT器件的隨VGS-Vth的變化斜率約為-2.由(7)式和(8)式可知, 當(dāng)斜率關(guān)系為-1時(shí), 器件的低頻噪聲機(jī)理主要來(lái)源于遷移率漲落模型; 當(dāng)斜率關(guān)系為-2時(shí), 器件的低頻噪聲機(jī)理主要來(lái)源于載流子數(shù)漲落模型.對(duì)于IGO-TFT而言, 在低頻噪聲的影響機(jī)理中還包含了一小部分的遷移率漲落機(jī)理, 摻雜Pr元素后,器件的低頻噪聲影響機(jī)理完全轉(zhuǎn)化為了載流子數(shù)漲落機(jī)理.從IGO和PrIGO薄膜的XRD結(jié)果可知 (如圖2(a)所示), Pr的摻入能抑制IGO薄膜的結(jié)晶, 導(dǎo)致晶格對(duì)載流子的散射減弱, 而遷移率的波動(dòng)會(huì)受到晶格散射的影響[20], 因此, 相對(duì)于IGO-TFT來(lái)說(shuō), 當(dāng)摻入Pr元素后, 遷移率漲落的影響機(jī)理會(huì)削弱.雖然Pr摻雜前后, 斜率有了輕微的變化, 但I(xiàn)GO-TFT和PrIGO-TFT器件的低頻噪聲特性主要還是受載流子數(shù)漲落機(jī)理的影響.

3.4 IGO-TFT和PrIGO-TFT的缺陷態(tài)提取

進(jìn)一步地, 在確定器件的低頻噪聲特性主要受載流子漲落機(jī)理決定后, 下面對(duì)器件的缺陷態(tài)密度進(jìn)行提取.

根據(jù)載流子數(shù)漲落機(jī)理, 歸一化的噪聲功率譜密度可以被表示為[21]

式中, gm表示器件的跨導(dǎo); Svfb表示平帶電壓功率譜密度, 通常由器件的有源層與柵絕緣層界面處電荷波動(dòng)所引起, 可用來(lái)描述界面態(tài)及氧化層邊界陷阱對(duì)界面處電荷的影響, 另外, Svfb可以表達(dá)為

式中, Nt表示缺陷態(tài)密度; KT表示熱電勢(shì); λ表示隧道衰減系數(shù), 在SiO2中約為0.1 nm; Cox表示柵絕緣層電容, 約為16.5 nF/cm2.由(10)式可得出Nt表達(dá)為

由 (9)式、(10)式和(11)式可知, 要想提取器件界面附近處的缺陷態(tài)密度Nt, 必須首先提取器件的平帶電壓功率譜密度Svfb, 根據(jù)文獻(xiàn)[22]的提取方法, IGO-TFT和PrIGO-TFT器件的實(shí)際測(cè)量和擬合的SID/IDS2值隨IDS的變化關(guān)系如圖6(a)和圖6(b)所示, 提取的Svfb分別為1.3 × 10-9V2·Hz-1和1.6 × 10-9V2·Hz-1.基于(11)式可知, 對(duì)于IGOTFT和PrIGO-TFT, 界面處的缺陷態(tài)密度Nt分別為7.76 × 1017cm-3·eV-1和9.55 × 1017cm-3·eV-1.由Nt的結(jié)果可以得出, 當(dāng)Pr元素?fù)诫s到IGO薄膜后, PrIGO-TFT器件的有源層與柵絕緣層界面附近處的缺陷態(tài)密度有一定的增加.其原因可能是由于稀土元素Pr具有豐富的電子能級(jí)結(jié)構(gòu), Pr元素在氧化物形式中有Pr3+和Pr4+離子存在, Pr4+離子未被占用的4f軌道對(duì)電子具有較強(qiáng)的俘獲作用[23].因此, PrIGO-TFT所提取的缺陷態(tài)密度Nt會(huì)比IGO-TFT的高.

圖6 IGO-TFT (a) 和PrIGO-TFT (b) SID/I2DS隨溝道電流的變化Fig.6.SID/I2DS versus drain current in the (a) IGO-TFT and (b) PrIGO-TFT.

根據(jù)我們前期的研究結(jié)果, Pr元素?fù)饺氲絀ZO基體中可以誘導(dǎo)出淺能級(jí)的缺陷態(tài), 該缺陷態(tài)可以作為電離的氧空位與光生電子的復(fù)合中心, 能夠有效地改善器件與光相關(guān)的穩(wěn)定性.通過(guò)低頻噪聲特性的研究可知, Pr元素?fù)诫s到IGO基體中亦可以誘導(dǎo)出類似的缺陷態(tài).類似于IZO體系,PrIGO-TFT器件NBIS穩(wěn)定性的提高仍可歸因于缺陷輔助模型.也即, 當(dāng)有源層內(nèi)的氧空位由于吸收光子能量而發(fā)生電離, 其在淺能級(jí)附近形成離化的氧空位缺陷態(tài); 同時(shí), 離化的光生電子會(huì)迅速被Pr誘導(dǎo)的受主缺陷態(tài)所俘獲, 該電子通過(guò)Pr離子的電子軌道與離化的氧空位缺陷態(tài)通過(guò)無(wú)輻射躍遷快速?gòu)?fù)合.因此, Pr摻雜后的PrIGO-TFT在NBIS條件下, 閾值電壓偏移量大幅改善, 而且未表現(xiàn)出明顯的亞閾值擺幅退化現(xiàn)象.對(duì)于IGOTFT和PrIGO-TFT器件的SS相同的情況, 推斷這和IGO薄膜呈結(jié)晶態(tài) (如圖2(a)所示) 相關(guān),晶界散射效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致器件的SS增加; 而摻雜Pr的薄膜呈非晶態(tài), 晶界散射較弱, 但是其引入了一定量的“受主缺陷”, 勢(shì)壘散射增加; 因此導(dǎo)致了二者SS相當(dāng).

4 結(jié) 論

本文通過(guò)稀土元素Pr摻雜IGO, 制備出高穩(wěn)定性的薄膜晶體管.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知: IGOTFT和PrIGO-TFT器件的低頻噪聲隨頻率的變化均滿足1/fγ (γ ≈ 0.8) 變化關(guān)系; 通過(guò)研究不同溝道長(zhǎng)度對(duì)IGO-TFT和PrIGO-TFT器件低頻噪聲的影響, 明確了器件的噪聲主要來(lái)源于溝道區(qū), 源/漏接觸區(qū)對(duì)器件低頻噪聲的影響可以被忽略.在器件的線性區(qū), 通過(guò)溝道電流歸一化噪聲功率譜密度與過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓函數(shù)關(guān)系的線性擬合, 確定IGO-TFT和PrIGO-TFT器件的低頻噪聲主要受載流子數(shù)漲落機(jī)理的影響.根據(jù)載流子數(shù)漲落機(jī)理的模型, 提取IGO-TFT和PrIGO-TFT界面處的缺陷態(tài)密度分別為7.76 × 1017cm-3·eV-1和9.55 × 1017cm-3·eV-1.Pr元素可以在IGO體系中誘導(dǎo)出缺陷態(tài), 該缺陷態(tài)可以作為電離的氧空位與離化電子復(fù)合中心, 促進(jìn)器件NBIS穩(wěn)定性提高.