胡偉濤,楊 帆,2,楊小天,王 超,2,王艷杰,2,孫名揚(yáng)
(1.吉林建筑大學(xué) 電氣與計算機(jī)學(xué)院,吉林省建筑電氣綜合節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林長春130118;2.吉林建筑大學(xué) 寒地建筑綜合節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長春130118;3.吉林師范大學(xué),吉林 四平136099)
近年來,由于氧化物薄膜晶體管(TFT)[1]在有源矩陣驅(qū)動有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)方面的廣泛應(yīng)用,被越來越多地研究和報道。氧化鋅(ZnO)基[2-3]薄膜因其良好的光學(xué)和電學(xué)性能、良好的均勻性和較低的工藝溫度而備受關(guān)注,并成為顯示領(lǐng)域[4]的一個熱點(diǎn),使其能夠滿足未來透明和柔性[5-6]顯示電子器件應(yīng)用[7]的需要。然而,由于未來的顯示應(yīng)用需要更大的驅(qū)動電流、小型化、更低的功耗、更低的工作電壓[8],甚至需要更快的開關(guān)速度,因此不斷提高ZnO-TFT的整體性能至關(guān)重要。
實(shí)現(xiàn)上述要求的方法之一是增加?xùn)艠O電容。一種方法是減小柵極電介質(zhì)層的厚度,然而柵極電介質(zhì)的精確厚度很難控制,并且可能導(dǎo)致高柵極泄漏電流。另一種方法是使用高K柵介質(zhì)材料[9]來增加?xùn)艠O電場的耦合。HfO2、Ta2O5就是很有前途的高K柵介質(zhì)材料,理論上相對介電常數(shù)分別約為18、25。我們發(fā)現(xiàn)在ZnO和Ta2O5之間插入HfO2薄層可以顯著降低柵漏電流并改善界面的質(zhì)量[10]。
本文研究了具有堆疊柵極電介質(zhì)結(jié)構(gòu)[11-12]的底柵頂接觸型ZnO TFT的電學(xué)特性。在PI襯底上沉積Al柵電極,并在柵電極上沉積了HfO2/Ta2O5疊層?xùn)沤橘|(zhì)、ZnO有源層和源漏電極。為得到最佳電學(xué)性能,對基于該結(jié)構(gòu)中Ta2O5層濺射過程中的時長、氧氬比進(jìn)行了研究,然后再與Ta2O5單層?xùn)烹娊橘|(zhì)進(jìn)行比較。測量的薄膜晶體管電學(xué)特性表明,該疊層結(jié)構(gòu)的采用可以明顯改善柔性ZnO-TFT的電學(xué)性能。
使用PI作為基底,疊層?xùn)烹娊橘|(zhì)底柵頂接觸型薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其制備工藝如下:將PI襯底放入丙酮、無水乙醇、去離子水中,依次超聲清洗15 min,之后用氮?dú)獯蹈?;采用電子束蒸鍍系統(tǒng)(EB)沉積Al柵電極,厚度為100 nm;在室溫條件下,采用磁控濺射法依次沉積Ta2O5薄膜、HfO2薄膜、ZnO薄膜。采用射頻磁控濺射法沉積Ta2O5薄膜,濺射功率為150 W,濺射壓強(qiáng)為1.07 Pa,濺射時長分別為30,60,90 min,濺射氧氬比分別為0∶100,10∶90,20∶80。接著采用HfO2陶瓷靶(純度99.99%)在氧氬比為25∶75的氛圍中以150 W濺射功率、約1.07 Pa濺射壓強(qiáng)下沉積1.5 h的HfO2薄膜。采用ZnO陶瓷靶(純度99.99%)在氧氬比為5∶95、濺射功率100 W、濺射壓強(qiáng)1.07 Pa、濺射時長15 min的條件下沉積ZnO薄膜。通過光刻和濕法蝕刻工藝對ZnO溝道層進(jìn)行圖案化。最后,沉積50 nm鋁(Al)形成源極和漏極,通過剝離工藝形成器件。上述制造的器件具有HfO2/Ta2O5疊層?xùn)沤橘|(zhì)結(jié)構(gòu),同時,在相同工藝條件下,制備了相同厚度Ta2O5單層?xùn)沤橘|(zhì)器件進(jìn)行比較。器件的溝道長為20 μm,寬為300 μm。器件電學(xué)性能測試均由Keysight B1 500A型號半導(dǎo)體參數(shù)儀完成;采用英國Oxford公司生產(chǎn)MFP-3D型原子力顯微鏡(AFM)對薄膜的表面形貌進(jìn)行探測;采用日本電子株式會社(JEOL)生產(chǎn)的JSM-7 610 F型掃描電子顯微鏡(SEM)對薄膜的表面及橫截面進(jìn)行測試;采用美國Bruker公司生產(chǎn)的D8 Discover型HR-XRD X射線衍射儀對薄膜晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度、晶粒尺寸進(jìn)行定性分析和定量計算;電子束蒸鍍系統(tǒng)使用的是臺灣亮杰公司的EB-420型;磁控設(shè)備使用的是Kurt J.Lesker公司的PVD 75型。
圖1 TFT器件的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of TFT device structure
圖2為具有不同濺射時長Ta2O5介質(zhì)層ZnO-TFT轉(zhuǎn)移特性曲線。其中,源漏極電壓VDS=5 V,表1給出了ZnO-TFT的電學(xué)性能參數(shù)。在Ta2O5濺射時長為60 min時,介質(zhì)層厚度為400 nm,器件表現(xiàn)出最佳的電學(xué)性能:電流開關(guān)比為1.27×106,閾值電壓為9.1 V,亞閾值擺幅為0.54 V/decade,載流子遷移率為7.03 cm2/(V·s)。當(dāng)Ta2O5薄膜較薄時,會有較大的泄漏電流[13-14]以及絕緣強(qiáng)度的下降,減弱了柵極調(diào)控能力,導(dǎo)致較小的Ion/Ioff比率。
表1 不同濺射時長Ta2O5疊層?xùn)烹娊橘|(zhì)TFT的電學(xué)參數(shù)Tab.1 Electrical performance of Ta2O5 stacking gate dielectric TFT with different sputtering duration
圖2 Ta2O5濺射時長分別為30,60,90 min的薄膜晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線。Fig.2 Transfer characteristic curves of thin film transistors with Ta2O5 sputtering time of 30,60,90 min,respectively.
圖3為Ta2O5薄 膜 在30,60,90 min濺 射 時間下的AFM圖像。隨著濺射時長的增加,均方根粗糙度(RMS)逐漸增大,分別為0.93,1.15,1.28 nm。這是因?yàn)殡S著厚度的繼續(xù)增加,微晶有更多的自由結(jié)合能,產(chǎn)生更大的晶粒和更大的表面粗糙度,增加了界面粗糙度散射效應(yīng)[15];并且由于粗糙的界面,陷阱態(tài)的數(shù)量會相應(yīng)增加[16],從而影響器件電學(xué)性能[17]。
圖3 Ta2O5不同濺射時長的AFM圖像。(a)30 min;(b)60 min;(c)90 min。Fig.3 Ta2O5 AFM images of different sputtering times.(a)30 min;(b)60 min;(c)90 min.
圖4為具有不同氧氬比Ta2O5介質(zhì)層ZnOTFT的轉(zhuǎn)移特性曲線。其中,源漏極電壓VDS=5 V。表2給出了ZnO-TFT的電學(xué)性能參數(shù)。在氧氬比為10∶90時,器件表現(xiàn)出最佳的電學(xué)性能:電流開關(guān)比為1.27×106,閾值電壓為9.1 V,亞閾值擺幅為0.54 V/decade,載流子遷移率為7.03 cm2/(V·s)。氧氣的加入填補(bǔ)了一定的氧空位[18],從而減少了薄膜缺陷。同時,氧氣的含量也使得濺射粒子受到影響,進(jìn)而影響到薄膜的生長質(zhì)量[19]。
表2 不同氧氬比的Ta2O5疊層?xùn)烹娊橘|(zhì)TFT的電學(xué)參數(shù)Tab.2 Electrical performance of Ta2O5 stacking gate dielectric TFT with different oxygen-argon ratios
圖4 Ta2O5氧氬比分別為20∶80、10∶90、0∶100的薄膜晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線。Fig.4 Transfer characteristic curves of thin film transistors with Ta2O5 oxygen-argon ratios of 20∶80,10∶90 and 0∶100,respectively.
圖5為不同氧氬比下生長的Ta2O5薄膜的XRD圖譜,同時用AFM測量了不同氧氬比下生長的Ta2O5薄膜的粗糙度,用SEM測量了不同氧氬比下Ta2O5薄膜的厚度,相關(guān)參數(shù)如表3所示。根據(jù)Scherrer公式可以計算平均晶粒尺寸,如式(1)所示:
表3 不同氧氬比的Ta2O5的表征參數(shù)Tab.3 Characterization performance of Ta2O5with different oxygen-argon ratios.
其中Dhkl是平均晶粒尺寸,k≈0.89是形狀因子,λ是X射線波長,β是半峰寬,θ是衍射角。由圖5不同氧氬比下Ta2O5薄膜的XRD光譜可以看出,在37°附近的Ta2O5峰與44°附近的SiO2峰相比較弱,說明Ta2O5薄膜的結(jié)晶度較低[20]。根據(jù)謝樂公式計算結(jié)果,隨著氧氣含量的增加,平均晶粒尺寸逐漸縮小。這是因?yàn)檠鯕獾募尤霑龃笱醴肿雍蜌宸肿拥呐鲎哺怕?,從而減弱了濺射粒子的動能,使得Ta2O5晶粒尺寸減小,薄膜的成膜速率降低,薄膜厚度也相應(yīng)變薄,這些都會對器件電學(xué)性能產(chǎn)生影響。由圖6不同氧氬比Ta2O5薄膜的SEM圖可以看出,薄膜質(zhì)量較好,表面平整,顆粒尺寸均勻。
圖5 Ta2O5氧氬比分別為20∶80,10∶90,0∶100的XRD光譜。Fig.5 XRD spectra of Ta2O5 oxygen-argon ratios of 20∶80,10∶90 and 0∶100,respectively.
圖6 不同氧氬比Ta2O5薄膜的SEM圖。(a)0∶100;(b)10∶90;(c)20∶80。Fig.6 SEM images of Ta2O5 thin films with different oxygen-argon ratios.(a)0∶100;(b)10∶90;(c)20∶80.
圖7為Ta2O5單層?xùn)烹娊橘|(zhì)和HfO2/Ta2O5疊層?xùn)烹娊橘|(zhì)薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。其中,源漏極電壓VDS=5 V,表4給出了其電學(xué)性能參數(shù)。相比于同等厚度Ta2O5單層?xùn)烹娊橘|(zhì),使用HfO2/Ta2O5疊層?xùn)烹娊橘|(zhì)結(jié)構(gòu)的薄膜晶體管總體展現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能。在電流開關(guān)比、閾值電壓、亞閾值擺幅、載流子遷移率達(dá)到了1.27×106、9.1 V、0.54 V/decade、7.03 cm2/(V·s)。由圖7可以明顯看出采用單層?xùn)烹娊橘|(zhì)的薄膜晶體管存在較大柵漏電流[21-22],從而導(dǎo)致其開關(guān)比大幅減小,這可能與柵電介質(zhì)材料與半導(dǎo)體層之間的界面態(tài)以及晶格適配有關(guān)。
圖7 Ta2O5單層?xùn)烹娊橘|(zhì)和HfO2/Ta2O5疊層?xùn)烹娊橘|(zhì)薄膜晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.7 Transfer characteristic curves of Ta2O5 single-layer gate dielectric and HfO2/Ta2O5 stacking gate dielectric thin film transistors
表4 Ta2O5單層?xùn)烹娊橘|(zhì)和HfO2/Ta2O5疊層?xùn)烹娊橘|(zhì)TFT的電學(xué)參數(shù)Tab.4 Electrical parameters of TFT with Ta2O5 single-layer gate dielectric and HfO2/Ta2O5 stacking gate dielectric
圖8顯示了Ta2O5單層?xùn)烹娊橘|(zhì)和HfO2/Ta2O5疊層?xùn)烹娊橘|(zhì)層和ZnO有源層的橫截面SEM圖。單層結(jié)構(gòu)Ta2O5為480 nm,疊層結(jié)構(gòu)中Ta2O5、HfO2、ZnO分別為400,80,80 nm。從圖8中可以看出各層之間界面較為明顯,并且可以清晰地看出Ta2O5無論是與HfO2還是ZnO接觸,都會產(chǎn)生明顯的界面。然而,HfO2在與ZnO接觸時,在很大程度上改善了這種情況,二者之間形成了良好的界面[23-24],從而提高器件性能和可靠性。另外,可以看出Ta2O5層有明顯的納米柱形狀晶粒邊緣懸掛鍵,可以為柵漏電流提供通道,而HfO2層的引入可有效阻隔這一路徑,使得柵漏電流顯著降低。我們認(rèn)為這些是導(dǎo)致疊層?xùn)烹娊橘|(zhì)電學(xué)性能優(yōu)于單層?xùn)烹娊橘|(zhì)的原因。
圖8 單層?xùn)烹娊橘|(zhì)(a)、疊層?xùn)烹娊橘|(zhì)層和有源層(b)的橫截面SEM圖像。Fig.8 Cross-sectional SEM images of single gate dielectric layer(a),stacking gate dielectric layer and active layer(b).
本文研究了在不同條件下制備HfO2/Ta2O5疊層?xùn)烹娊橘|(zhì)材料對ZnO-TFT電學(xué)性能的影響。不同的濺射時長直接影響薄膜的厚度,較薄的柵電介質(zhì)層會有較大的泄漏電流并導(dǎo)致絕緣性能的下降,同時厚度過大也會對絕緣層表面粗糙度產(chǎn)生影響。通過AFM觀察到隨著濺射時長的增加,薄膜的RMS逐漸增大,進(jìn)而引起了界面粗糙度散射效應(yīng),對其電學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。不同氧氬比直接影響晶粒尺寸大小,氧氣的引入一方面填補(bǔ)了氧空位缺陷,另一方面也增大了氧分子和氬分子之間碰撞的概率,減弱了濺射粒子動能,使薄膜厚度減小。通過SEM和X射線衍射儀(XRD)觀察到氧氣的引入使薄膜的厚度減小,結(jié)晶度變差,晶粒尺寸也變小。在疊層?xùn)烹娊橘|(zhì)與單層?xùn)烹娊橘|(zhì)比較中,單層?xùn)烹娊橘|(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜晶體管的柵漏電流較大,這與柵介質(zhì)-半導(dǎo)體層界面和絕緣層材料有關(guān)。通過橫截面SEM圖也證實(shí)了這一點(diǎn),Ta2O5薄膜存在明顯的納米柱形狀晶粒邊緣懸掛鍵,為柵漏電流提供通道,HfO2層的引入可以明顯改善這一情況。疊層?xùn)烹娊橘|(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜晶體管優(yōu)異的電學(xué)性能可以為未來柔性顯示提供可行的解決方案。