溝道長度對IGZO薄膜晶體管性能的影響

劉璐 高曉紅 孟冰 付鈺 孫玉軒 王森 劉羽飛 胡頂旺

摘要：在室溫條件下采用射頻磁控濺射的方法在熱氧化SiO2襯底上生長IGZO薄膜作為有源層，并將其制備為薄膜晶體管器件.研究不同的溝道長度對IGZO薄膜晶體管電學性能的影響.使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）表征IGZO薄膜的厚度，使用原子力顯微鏡（AFM）表征薄膜的表面形貌.實驗結果表明，溝道長度對IGZO薄膜晶體管有著重要影響.當溝道長度為10[μm]時，IGZO薄膜晶體管的開關電流比達到1.07×108，載流子遷移率為3.81cm2/V，閾值電壓為27V，亞閾值擺幅為2V/dec.

關鍵詞：IGZO;薄膜晶體管;磁控濺射;溝道長度

中圖分類號：TB383? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）26-0138-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

The Influence of Channel Length on the Performance of IGZO Thin Film Transistors

LIU Lu， GAO Xiao-hong， MENG Bing， FU Yu， SUN Yu-xuan， WANG Sen， LIU Yu-fei， HU Ding-wang

（Jilin Jianzhu University， Changchun 130119， China）

Abstract： At room temperature， using RF magnetron sputtering method to grow IGZO thin film as active layer on thermally oxidized SiO2 substrate， and prepare it into thin film transistor device. Study the influence of different channel length on the electrical performance of IGZO thin film transistor Use the field emission scanning electron microscope （SEM） to characterize the thickness of the IGZO film， and use the atomic force microscope （AFM） to characterize the surface morphology of the film. The experimental results show that the channel length has an important influence on the IGZO thin film transistor. When the channel length is 10 μm， the switching current ratio of the IGZO thin film transistor reaches 1.07×108， the carrier mobility is 3.81 cm2/V， and the threshold voltage is 27V ， The sub-threshold swing is 2V/dec.

Key words： IGZO; thin film transistors; magnetron sputtering; channel length

金屬氧化物半導體場效應晶體管近年來在高幀速、大尺寸、超高清晰平板顯示器中引起廣泛關注.與傳統(tǒng)的非晶硅薄膜晶體管相比，金屬氧化物基薄膜晶體管具有理想的場效應遷移率、較好的均勻性和穩(wěn)定性和低工藝溫度等優(yōu)點[1， 2]，能夠滿足有源矩陣有機發(fā)光二極管顯示器高驅動電流的基本要求.金屬氧化物半導體材料中，非晶氧化銦鎵鋅（IGZO）的性能最為突出，因此備受研究者們的關注[3]。

IGZO是一種n型半導體，帶隙在3.5eV左右， 其組分中的In具有特別的外層電子結構會通過S軌道的重疊來運輸載流子[4]，有利于載流子的高速運輸;Ga的摻入可以實現(xiàn)抑制薄膜晶體管溝道層中氧空位等本征缺陷，實現(xiàn)對載流子的調控. 2004年東京工業(yè)大學的Hosono等人首次報道了在室溫條件下成功生長銦鎵鋅氧化物（IGZO）薄膜并應用于制備TFT器件，此后以IGZO為有源層的薄膜晶體管受到學術界和工業(yè)界越來越多的關注[5-6]。

本文使用射頻磁控濺射方法在室溫下沉積IGZO薄膜作為有源層，并制備成不同溝道長度的TFT器件，使用原子力顯微鏡（AFM）和場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）表征薄膜，利用半導體參數(shù)測試儀測試器件的電學性能，研究不同的溝道長度對IGZO薄膜晶體管 開關電流比、閾值電壓、場效應遷移率、亞閾值擺幅的影響。

1 實驗

實驗使用表面生長有100nm熱氧化SiO2為介電層的Si片作為襯底，將基片首先在丙酮中使用超聲波清洗10min，再將基片在無水乙醇中超聲波清洗10min，最后將基片在去離子水中超聲波清洗10min.沉積IGZO有源層使用的是kurtJ. Lesker的PVD 75型磁控濺射設備，濺射靶材使用的是IGZO陶瓷靶，薄膜沉積之前，預濺射10min達到清楚靶材表面的雜質， 生長溫度為室溫，濺射功率為100W，濺射壓強為8mTorr，在氬氣下生長15min.將生長完成的薄膜進行濕法光刻，光刻溝道長度分別為10[μm]、30[μm]、60[μm]、90[μm]，采用電子束蒸發(fā)設備蒸鍍Al作為器件的源漏電極，制備成TFT器件。

IGZO-TFT器件的結構為底柵結構，器件結構示意圖如圖1。