硅掺杂氧化锡柔性薄膜晶体管的制备与特性

张建东，刘贤哲，张啸尘，李晓庆，王　磊，姚日晖，宁洪龙，彭俊彪

(华南理工大学材料科学与工程学院，高分子光电材料与器件研究所，发光材料与器件国家重点实验室，广东广州　510640)

1　引　言

柔性电子和显示器由于其可弯曲、重量轻和便携性高等各种优点，能够极大丰富显示设备的功能和使用，成为当今显示领域研究的热点［1-2］。作为柔性薄膜晶体管(TFT)常用的有源层材料，非晶硅(a-Si∶H)和有机半导体材料［3-4］过低的迁移率限制了其在大面积、高分辨率显示器上的应用。研究发现［5-8］基于氧化物半导体的TFT具有迁移率高、均匀性好、可见光透明度高、与现有TFT制造技术兼容成本低和制备温度低等优点，可满足人们对大尺寸、高分辨和柔性显示等技术需求，成为柔性电子和显示器有源层材料选择的方向。在器件结构方面，与刻蚀阻挡型结构器件相比，背沟道刻蚀型(BCE)［8］结构器件对沟道尺寸定义精度高，易于实现器件“小型化”，达到高分辨显示，但其缺点在于器件缺少沟道保护层。目前作为金属氧化物TFT最常使用的有源层材料之一，铟镓锌氧化物(Indium gallium zinc oxide，IGZO)TFT虽然在迁移率、光透过率、阈值电压和源漏电流开关比等方面具有独特优势［9-13］，比如超过10 cm2·V－1·s－1的载流子迁移率、超过109电流开关比，但IGZO易于被腐蚀，造成器件背沟道损伤，获得高性能器件成本大大提高。开发一种抗酸性的氧化物半导体材料不但能够适用于制备背沟道刻蚀型器件，获得更高的沟道尺寸定义精度，更能免去器件沟道保护层的制备，大大降低了TFT的制备成本。因此，开发出一种抗酸性强的氧化物半导体材料十分必要。氧化锡由于具有较强的化学稳定性和抗酸碱能力的特点，十分适合作为TFT器件的有源层材料使用。由于初始沉积态SnO2薄膜具有较高的载流子浓度，很难直接制备出高性能器件，要实现SnO2薄膜的应用，关键在于对SnO2薄膜进行元素掺杂调控载流子浓度［14］。根据 Zhang等［15］基于掺杂剂得到的经验方程，因为 Si—O结合键能是799.6 kJ/mol高于Sn—O结合键能(531.8 kJ/mol)，使得薄膜中的氧不容易流失，从而降低薄膜中的载流子浓度，本文选择硅掺杂调控氧化锡薄膜中的载流子浓度。当金属与半导体材料接触时，若金属与半导体之间的功函数差相对很小，接触面势垒很窄，容易形成欧姆接触。金属Mo的功函数为4.6 eV，实验测得STO薄膜在高温退火后的功函数为4.856 eV，这使得STO薄膜与金属Mo容易形成良好的欧姆接触，本实验采用Mo作为器件源、漏电极材料。目前已有研究者开展了STO-TFT的相关研究［16］，并取得了良好的器件性能，但相关研究都是制备在玻璃或者硅片等刚性衬底，本文将结合当今柔性显示的热点，研究柔性STO-TFT相关制备过程及其电学性能。同时，聚酰亚胺(PI)是一种综合性能最佳的有机高分子材料之一，具有易于弯曲和能够承受较高的温度等优点，适合作为本文柔性TFT的基板使用。

本文以柔性PI作为衬底，通过射频磁控溅射以STO作为半导体有源层，制备了一种柔性TFT器件。将器件分别置于空气环境以室温、200，250，300，350 ℃退火 30 min，分析退火温度对器件电学性能的影响，同时研究该柔性STO-TFT在弯曲状态下的工作性能。

2　柔性STO-TFT的制备和测试

本文制备的STO-TFT为背沟道刻蚀底栅型结构，基本结构如图1所示。基底材质为于广州新视界光电科技有限公司购置的柔性 PI(含SiNx/SiOx缓冲层);栅极采用铝钕合金(Al∶Nd)通过直流磁控溅射并图形化生成;在栅极上通过阳极氧化制备一层200 nm厚氧化铝作为绝缘层;采用掩膜法控制器件的有源层尺寸(沟道宽度W=1 000μm、长度 L=300μm)，通过在室温射频磁控溅射沉积了一层5 nm厚的硅掺杂氧化锡(STO)薄膜作为半导体有源层，其中靶材组成的质量比为 SiO2∶SnO2=5∶95，溅射功率为 80W，工作气压为 0.27 Pa，溅射气体为 Ar∶O2=100∶10 的混合气体。最后再通过掩膜板在有源层上沉积源、漏电极Mo。将制得的器件分别置于空气环境以室温、200，250，300，350 ℃退火30min，分别测试其输出特性和转移特性，并将获得最佳电学性能退火温度的柔性STO-TFT进行弯曲电学性能测试。柔性STO-TFT器件输出特性和转移特性采用探针台和半导体参数仪(Agilent4155C)测试。

图1　柔性STO-TFT结构

3　结果与讨论

3.1　不同退火温度柔性STO-TFT的电学特性

在柔性STO-TFT的制备过程中，退火时发现，上述350℃退火的TFT器件PI衬底发生明显受热形变，部分栅极出现金属脱落现象。通过在偏光显微镜下观察，如图2所示，350℃退火的柔性STO-TFT部分位置呈气泡状隆起，并且源、漏电极和栅极部分出现密集小孔。该柔性STO-TFT器件无法承受较高温度的退火，无法表现出器件特性。200，250，300℃退火和不进行退火处理的柔性STO-TFT器件能够保持完整的外貌形态，其中图3所示为300℃退火的柔性STO-TFT。

图2　350℃退火的柔性STO-TFT。(a)350℃退火后栅极;(b)350℃退火源/漏电极。

图3　300℃退火的柔性STO-TFT.(a)TFT实物图;(b)偏光显微镜拍摄沟道图。

图4　不同退火温度柔性STO-TFT输出特性曲线。(a)室温不退火;(b)200℃退火;(c)250℃退火;(d)300℃退火。

通过实验测试，柔性STO-TFT的输出特性曲线如图4所示。源漏电压VD从0 V增加到30 V ，栅极电压VG从0 V增加到30 V，间隔为10 V。由图4(a)可以得到，制备的柔性STO-TFT不进行退火无法获得良好的器件性能。退火能够细化晶粒，使组织重新结晶消除原有的缺陷，以达到更好的器件性能。当退火温度为200，250，300℃时，分别如图4(b)、(c)和(d)所示，随栅极电压VG增大，漏电流ID明显增大;当栅极电压一定时，漏电流ID随源漏电压VD增大先快速增大后基本维持不变。这表明一定温度退火后的柔性STO-TFT具有良好的TFT器件特性:漏电流ID受栅极偏压VD的控制，并且器件具有很好的夹断特性，当器件工作在饱和区时电流能够维持一固定数值。在不超过STO-TFT可承受温度条件下，随着退火温度的升高，器件的饱和输出电流逐渐增大。在栅极电压为30 V的条件下，300℃退火的柔性STOTFT饱和输出电流超过1.0×10－4A，大于器件于250℃退火获得的7.6×10－5A和200℃退火获得的3.8×10－5A饱和输出电流。

3种不同退火温度的柔性STO-TFT的转移特性曲线如图5所示。由图5可得，器件在负栅压小于开启电压前，ID数值很小，约为10－11A数量级，器件处于关闭状态。当栅极偏压达到开启电压后，ID数值大小呈指数上升，器件迅速从关闭状态转换成开启状态。根据图5并结合饱和区电流、电压相关公式及亚阈值摆幅公式:

公式中单位面积的栅电容 COX=38×10－9F·cm－2，通过读取数值和计算可得如表1中所示电学性能参数。柔性STO-TFT器件在栅极偏压为30 V 的条件下，由(IDS)1/2-VGS曲线外推直线［17］可以得到在200，250，300℃退火的器件阈值电压分别为 7.05，4.42，2.42 V，阈值电压随退火温度升高逐渐减小，可能是由于高温退火使得金属氧化物有源层薄膜解吸附背沟道上吸附的氧从而提高了载流子的浓度［18］，导致阈值电压减小，有利于器件的开启。载流子迁移率随3种退火温度升高逐渐增大，分别为 1.42，2.32，2.81 cm2·V－1·s－1。同时亚阈值摆幅随退火温度升高而升高，300℃退火柔性STO-TFT的亚阈值摆幅为1.95 V·dec－1。主要原因可能是在器件退火过程中，由于氧等对绝缘层的作用增加，破坏了有源层和绝缘层的界面特性，使有源层与绝缘层间界面缺陷态增加从而导致亚阈值摆幅上升［19］。3种退火温度的柔性STO-TFT开关比均在5×106附近，获得了良好的器件性能。

图5　不同退火温度柔性STO-TFT转移特性曲线及IDS1/2-VGS曲线。(a)200℃;(b)250℃;(c)300℃。

表1　不同退火温度柔性STO-TFT性能参数Tab.1　Performance parameters of different annealing temperature flexible STO-TFT

分析表明柔性STO-TFT在300℃退火可以获得最优的器件性能，阈值电压Vth为2.42 V，器件载流子迁移率为 2.81 cm2·V－1·s－1，饱和开态电流超过 1 ×10－4A，开关比达5.07 ×106，亚阈值摆幅为 1.95 V·dec－1。

3.2　弯曲状态下柔性STO-TFT的电学性能

将制备的300℃退火柔性STO-TFT分别置于曲率半径为5，10，20，30 mm的条件下工作并测试其电学性能，其中该柔性STO-TFT在曲率为10 mm弯曲状态下测试的实物图如图6所示，所测转移特性曲线如图7所示。由实验结果可知，该柔性STO-TFT弯曲在曲率半径为5，10，20，30 mm的条件下进行电学性能测试，其转移特性曲线与未弯曲的相比变化差别不大。通过计算相关电学参数如表2所示，可得在不同曲率半径弯曲下工作器件载流子迁移率维持在2.6～2.9 cm2·V－1·s－1之间，亚阈值摆幅也在 1.6 ～ 2.0 V·dec－1之间浮动，开态电流大小变化不大并都能够超过10－4A数量级，该柔性STO-TFT器件弯曲后，关态漏电流和阈值电压与未弯曲相比有明显增加。根据漏态电流Ioff的公式［20］:

其中σ为电导率，t为沟道层厚度，W和L分别为有源层宽度和长度。在器件弯曲时有源层厚度t及宽度W基本不变的情况下，有源层在弯曲时外侧被拉长，内测收缩有源层沟道距离缩短，推测器件载流子在一定程度上更倾向于沿短距离处传输并且电导率发生了相应的变化，Ioff相应增大;器件在弯曲半径大于20 mm时测量其阈值电压和未弯曲时差别不大，但当器件弯曲半径为10 mm时器件阈值电压突然升高较大幅度，推测其原因，可能是由于器件在弯曲时受拉应力的作用，当其达到某个值时将会一定程度上破坏器件结构，进而增加了薄膜内部的缺陷态使阈值电压升高。虽然器件Ioff在弯曲时增加，但器件开关比仍能够维持在高于106数量级，可以获得较好的柔性器件性能。

图6　在曲率半径为10 mm弯曲下测试的柔性STO-TFT

图7　在不同曲率半径下工作的柔性STO-TFT性能参数。(a)转移特性曲线;(b)(IDS)1/2-VGS。

表2　柔性STO-TFT性能参数随弯曲程度变化Tab.2　Performance parameters of flexible STO-TFT vary with the degree of bending

4　结　论

本文通过在柔性PI衬底上制备的一种STOTFT 器件，并比较器件在 200，250，300，350 ℃退火及室温不退火处理的性能，发现其可以调控掺硅氧化锡半导体的载流子输运。研究表明该器件350℃下性能有所下降，300℃退火能够获得最佳器件性能，其基本电学性能参数如下:阈值电压Vth为 2.42 V、器件载流子迁移率为 2.81 cm2·V－1·s－1、饱和开态电流超过 1.0 ×10－4A、开关比达 5.07 × 106，亚阈值摆幅为 1.95 V·dec－1。同时该柔性STO-TFT在曲率半径分别为5，10，20，30 mm的情况下工作，其电学特性虽有一定的变化，但仍然保持较高的器件性能，显示出在柔性电子器件中的巨大应用潜力。

传统花卉的摆花应用是园林造景中的一个重要部分，文人喜欢借植物寄托个人的思想情怀和品格追求。虽然今天古典园林的主人已经不再是文人士大夫阶层，但藉由他们形成的花卉审美却与园林审美息息相关，园林厅堂传统花卉的应用也从花文化角度传达着园林的人文精神。