胡小強，楊小天，李 慧，李 博，胡偉濤，雷明洲

吉林建筑大學(xué) 電氣與計算機學(xué)院 長春,130118

0 引言

隨著帶顯示器電子設(shè)備的迅猛發(fā)展,對薄膜晶體管(TFT)提出了更高的技術(shù)要求,如更高的載流子遷移率、透光性、柔韌性以及更低的薄膜生長溫度等.常規(guī)的Si基TFT已經(jīng)不能滿足上述高新技術(shù)設(shè)備的要求.非晶硅TFT的載流子遷移率和穩(wěn)定性不佳,而多晶硅TFT的制備溫度又很高,使得制備工藝復(fù)雜,生產(chǎn)成本高[1].因此,需要尋找一種符合目前需求的TFT有源層材料,替代Si在傳統(tǒng)顯示設(shè)備中的應(yīng)用,而且還要應(yīng)用于包括柔性存儲器、柔性透明顯示器、電子皮膚、生物傳感器、可植入醫(yī)療設(shè)備和可穿戴設(shè)備等在內(nèi)的未來新興技術(shù)[2].

相較于非晶硅TFT, 氧化物TFT在電學(xué)性能和物理穩(wěn)定性方面更具有優(yōu)勢.基于ZnO半導(dǎo)體摻雜的有源層材料層出不窮,例如InZnO,InSnO,InGaZnO,InMgZnO等,這些材料的應(yīng)用使得TFT的電學(xué)性能及其穩(wěn)定性得到不斷提高.自2004年首次報道以來, IGZO已經(jīng)出現(xiàn)在諸多應(yīng)用中.隨著研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)IGZO的光學(xué)帶隙較窄,對載流子調(diào)控能力不強.IGZO TFT對氧氣和水蒸汽比較敏感,使用壽命短,難以長期穩(wěn)定運行[3].銦和鎵在地殼中的含量較少且對人體有毒，故有必要尋找能滿足薄膜晶體管性能、經(jīng)濟(jì)、無毒等要求的新材料.Al和Sn在地殼中的含量大,且對人體無毒,是替代銦和鎵的理想元素[4].近年來，隨著科研人員的不斷探索,發(fā)現(xiàn)Al-Sn-Zn-O(AZTO)具有優(yōu)異的光學(xué)透過率,較高的載流子遷移率和較好的穩(wěn)定性,是目前IGZO替代材料之一,與IGZO相比,AZTO的相關(guān)研究相對較少.本文擬對不同厚度AZTO有源層對薄膜晶體管電學(xué)性能和光學(xué)透過率的影響展開研究.

1 實驗過程

本實驗用磁控濺射法制備AZTO薄膜,制備過程如下:① 基底清洗;② 生長有源層;③ 對薄膜退火處理;④ 生長鋁電極.

基底清洗:基底的潔凈度對TFT的性能有著直接的影響.首先將基底用超聲波清洗機在丙酮溶液中洗滌10 min,然后在無水乙醇中洗滌10 min除去殘留的丙酮,之后在超純水中洗滌10 min除去殘留的乙醇.上述步驟可去除基底表面的灰塵、有機物和碎屑等,最后在烘箱內(nèi)烘干便可得到潔凈的SiO2/Si基底.

生長薄膜:利用射頻磁控濺射在SiO2/Si基底上沉積AZTO薄膜,本研究使用的靶材為高純AZTO陶瓷銅背靶(純度為99.99 %,ZnO∶Al2O3∶SnO2=68∶2∶30,直徑50.8 mm,厚度3 mm).先抽粗真空至1.5×10-1Torr,再抽高真空(到4.8×10-5Torr),然后通入氬氣(純度為99.999 %),將啟輝氣壓穩(wěn)定在20 mTorr,啟輝功率設(shè)置為50 W.然后設(shè)置氬氧比為98∶2,濺射時壓強穩(wěn)定在20 mTorr,濺射功率設(shè)置為100 W,濺射時長分別為30 min,40 min,50 min,整個濺射過程在室溫下進(jìn)行[5].

退火:將生長好AZTO薄膜的基底使用快速退火爐在空氣中以500 ℃退火1 h,冷卻20 min到室溫[6].

生長電極:采用金屬掩膜版代替光刻工藝，使用電子束蒸發(fā)設(shè)備生長50 nm厚的Al電極.金屬掩膜板工藝相對于光刻工藝步驟簡單且沒有化學(xué)藥品對薄膜的侵蝕,有利于提高器件性能.

2 實驗測試與分析

圖1為場發(fā)射掃描電子顯微鏡拍攝的有源層圖片,掃描電壓為10 kV,放大倍數(shù)為10萬倍,可以觀察到薄膜致密且均勻,隨著生長時間的增加,晶粒尺寸也越來越大,晶界也越來越明顯[7].

(a) 生長時間為30 min (b) 生長時間為40 min (c) 生長時間為50 min圖1 不同生長時間的薄膜表面形貌Fig.1 Film surface morphology at different growth times

圖2為場發(fā)射掃描電子顯微鏡拍攝的AZTO有源層橫截面圖,由圖2可以觀察到,隨著濺射時間的增加,有源層的厚度也在不斷增加,生長時間為30 min時薄膜的厚度為52.5 nm,生長時間為40 min時薄膜的厚度為92.8 nm,生長時間為50 min時薄膜的厚度為121 nm[7].

器件開關(guān)比是衡量薄膜晶體管性能的重要指標(biāo)之一，如何提高開關(guān)比來提升TFT器件的性能是科研人員做研究的一項重要課題. 2017年肖有成[8]研究得出AZTO有源層厚度為50 nm時器件的性能相對較好,開關(guān)比達(dá)到了1.84×104.

(a) 厚度為52.5 nm (b) 厚度為92.8 nm (c) 厚度為121 nm圖2 不同厚度的AZTO有源層Fig.2 AZTO active layer with different thickness

圖3為在黑暗環(huán)境下使用半導(dǎo)體參數(shù)儀測試TFT器件的轉(zhuǎn)移特性圖,可以看到AZTO有源層生長時間為30 min時開關(guān)比達(dá)到106,生長時間為40 min時開關(guān)比達(dá)到105,生長時間為50 min時開關(guān)比為104.

由圖2(a)可以看到,AZTO有源層生長時間為30 min時有源層厚度為52.5 nm，有源層較薄,界面的缺陷較多,但此時薄膜晶體管的開關(guān)比最高.雖然薄膜厚度為52.5 nm時氧空位數(shù)目少,載流子濃度較低,載流子易被俘獲[9],但同時其漏電流也最低,小于10-10A,器件開斷反應(yīng)迅速. 此時開關(guān)比達(dá)到1×106,相比肖有成等人的研究結(jié)果有了明顯提升.

從圖3可以看出,當(dāng)有源層厚度為92.8 nm時,器件的漏電流增加到10-9A,最大開態(tài)電流為10-4A,與厚度為52.5 nm的有源層相比開態(tài)電流并沒有太大變化,器件開關(guān)比減小；隨有源層厚度增加到121 nm,漏電流進(jìn)一步增加到10-8A,同時開態(tài)電流變化很小,維持在10-4A,開關(guān)比也進(jìn)一步減小到104.這是由于AZTO薄膜厚度的增加,AZTO結(jié)晶也越來越大,氧空位數(shù)目增加,載流子濃度增加.隨著厚度增加和晶粒的增大,晶界也更明顯,對載流子的散射更強[10],限制了器件的開態(tài)電流,其漏電流也明顯增大,導(dǎo)致薄膜晶體管的開關(guān)比下降[11].同樣,光學(xué)透過率也是衡量薄膜晶體管性能的重要指標(biāo)，透光性好的器件對未來發(fā)展透明顯示有著重要意義.袁玉珍等[12]人采用直流磁控濺射法制備Al和Zr共摻雜的ZnO薄膜,可見光范圍(500 nm～800 nm)的平均透過率為91.3 %～95.6 %.劉斌[13]利用射頻磁控共濺射Sn靶和AZO靶制備ATZO薄膜,在400 nm～900 nm波長范圍的平均透過率大于80 %,最高85 %.

圖3 不同厚度有源層的AZTO-TFT轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.3 AZTO-TFT transfer characteristic curves of active layers with different thicknesses

圖4 不同厚度AZTO有源層的透過率Fig.4 Transmittance of AZTO active layer with different thickness

圖4為紫外分光測試的3組不同厚度薄膜的透過率,測試波長范圍200 nm～800 nm.

從圖4中可以看到,3組薄膜在300 nm左右出現(xiàn)了陡峭的吸收邊,厚度為52.5 nm的薄膜透過率最高,對390 nm波長透過率超過97 %較之以往有所提升,在350 nm～800 nm的波長范圍內(nèi)擁有較高的透過率,大于80 %；由于薄膜生長時間的增加,AZTO有源層變厚,透過率也隨之降低,厚度為92.8 nm的薄膜最高透過率為94 %,厚度為121 nm的薄膜最高透過率為90 %.由此可見,在52.5 nm厚度時薄膜具有良好的透過率,可以應(yīng)用在未來的透明顯示器件上.

3 結(jié)論

在本實驗中，AZTO有源層的厚度為52.5 nm時，器件呈現(xiàn)出最好的電學(xué)性能,薄膜呈現(xiàn)出最好的光學(xué)性能.電流開關(guān)比達(dá)到了1×106，與以往相比有了明顯提高.當(dāng)有源層超過此厚度時,開關(guān)比呈現(xiàn)下降的趨勢, 同時透光率也隨之下降.可以得出結(jié)論,TFT器件的開關(guān)比在一定范圍內(nèi)隨著AZTO有源層厚度的增加而減小,薄膜的透光率隨著AZTO有源層厚度的增加而降低.350 nm～800 nm波長范圍內(nèi)薄膜透過率都在80 %以上,薄膜厚度為52.5 nm時透光率最高，達(dá)到了97 %.3組薄膜都表現(xiàn)出良好的透過率.AZTO TFT可以作為未來透明顯示器件的潛在應(yīng)用.