非晶氧化锡铋薄膜晶体管偏压稳定性的研究

傅若凡,杨建文,张 群

(复旦大学 材料科学系TFT-LCD关键材料及技术国家工程实验室，上海 200433)

近年来，以非晶氧化物薄膜晶体管(Thin Film Transistors, TFTs)技术为代表的新一代平板显示技术得到了蓬勃发展和长足进步[1].传统的非晶硅(Amorphous Silicon, a-Si)TFTs虽然具有均匀性好、成本低、技术成熟等优点，但其载流子迁移率一般小于1cm2/(V·s-1)，这无法满足大尺寸高清显示的需要[2].而低温多晶硅(Low Temperature Polycrystalline Silicon, LTPS)TFTs具有均匀性好的优点，但是其工艺制备温度偏高，并且由于多晶态的存在，均匀性相对较差，而且成本也较高.碳纳米管TFTs和石墨烯TFTs具有高的迁移率，但是将其可控地量产依然是一个非常大的挑战[3].以非晶铟镓氧(Amorphous InGaZnO4, a-IGZO)为代表的非晶氧化物半导体能够兼顾非晶硅均匀性好，成本低和低温多晶硅迁移率高的优点.自从2004年Hosono课题组在Nature发表了第一篇关于a-IGZO TFT的研究文献后，氧化物TFTs便得到了广泛关注和迅速发展[4-7].a-IGZO迁移率高的原因在于a-IGZO依靠传输半径较大且相互重叠的In3+(电子配置(n-1)d10ns0)s轨道传输电子[8-9].

但是a-IGZO使用了价格昂贵并且资源非常稀缺金属In元素，从长远来看，其不能满足可持续发展的要求.因此，探究新型无铟或者少铟型薄膜晶体管是有必要的.另外，a-IGZO里面含有Zn元素，Zn元素被证明具有降低TFT稳定性的效果，并且ZnO易溶于酸，背沟道刻蚀方法制备的TFT会对沟道有损害[10].Sn4+和In3+具有相同的电子结构配置，因此Sn4+成为最有希望制备出高迁移率TFT的材料之一.目前，已经有课题组制备出了迁移率高达96.4cm2/(V·s-1)的氧化锡TFTs[11].氧化锡易于结晶，而据相关文献报道掺杂铋元素可有效抑制氧化锡结晶，从而提高器件均匀性.另外由于铋元素的外层6s电子轨道的半径较大，电子云重叠，使得于非晶状态的沟道层也能拥有较高的迁移率[12].我们课题组曾经对非晶氧化锡铋(a-SnBiO)中铋掺杂含量对TFTs性能的影响进行了相关的研究.相应的a-SnBiO TFTs展现出了良好的开关特性[13].但是a-SnBiO TFTs的偏压稳定性并没有得到很好的验证.此外，目前论文中关于氧化锡基TFTs稳定性的报道相对较少.理解a-SnBiO TFTs的偏压稳定性机制有助于了解氧化锡基TFTs的特性.在本论文中，我们采用真空中测试a-SnBiO TFTs偏压稳定性的方法，避免了空气中水分、氧气吸附等因素的影响.我们发现，无论是正偏压还是负偏压下，a-SnBiO TFTs均表现为阈值电压异常的负漂现象，同时通过能带理论对该稳定性进行了相关的解释.

1 实验过程

1.1 沟道层a-SnBiO薄膜晶体管的制备

本实验中所制备的a-SnBiO TFTs使用Si-SiO2衬底，采用底栅层错结构.P型硅片作为栅电极，热生长100nm的SiO2作为栅绝缘层.利用磁控溅射的方法10nm厚a-SnBiO薄膜作为沟道层，陶瓷靶材成分SnO和Bi2O3原子百分比为97.3∶2.7.溅射条件为： 功率为60W，总气压为0.6Pa，氩气(Ar)和氧气(O2)流量分别为50cm3/s和1.2cm3/s.然后，使用射频磁控溅射方法沉积60nm厚的ITO薄膜作为源漏电极，溅射靶材成分In2O3和SnO2的质量百分比为90∶10，总气压0.6Pa，使用纯氩气，流量50cm3/s.沟道图形化采用沉积时掩膜覆盖的方式，沟道宽长比为500μm∶100μm.整个沉积过程在室温下完成.待所有沉积步骤完成后，整个TFTs放到空气中350℃退火60min.用于测量结晶状态和透过率的薄膜以相同的沉积条件分别制备于硅片和玻璃基板上.

1.2 分析测试方法

本文中显示的沟道层薄膜透光率图谱使用UV2450型紫外-可见分光光度计测量；薄膜厚度采用型号为Kosaka Laboratory ET3000的表面轮廓仪测量；X射线能谱使用Rigaku D/max-r B型X射线衍射仪(X-ray Diffraction, XRD)测量；采用透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy, TEM)进一步表征薄膜的结晶特性；采用半导体性能测试仪(Agilent B1500)测试TFTs的电流电压特性，整个测试过程在真空且黑暗环境下进行，其中真空度达10-1Pa.在测量光照偏压稳定性时，采用光照强度46000 lux的白色LED光进行照射.

2 实验结果与讨论

2.1 沟道层a-SnBiO薄膜的性能表征

图1(a～d)分别为典型的SnBiO薄膜a-SnBiO薄膜的XRD衍射图案、透射电镜图谱、透光率曲线以及(hv)2-hv曲线.

图1 a-SnBiO薄膜的XRD衍射图案(a)，透射电镜图谱(b)，透光率曲线(c)以及(hv)2-hv曲线(d)Fig.1 The typical XRD pattern(a), TEM pattern(b), transmittance(c) and (hv)2-hv curve of a-SnBiO thin film(d)

从XRD图谱中可以看到，除了3°附近的衬底峰以外，没有看到明显的结晶峰，充分说明所制备的SnBiO薄膜是非晶结构.同样，从TEM图谱中，也可以清楚的看到，薄膜原子呈现无序形状，衍射图案中也没有出现明显的衍射环，进一步证实了沟道薄膜的非晶状态.从透光率图谱中可以看到，SnBiO薄膜具有很好的透光性能，透光率大于85%，根据Tauc式[14]：

(αhv)m=A(hv-Eg),

其中：α为吸收系数；h为普朗克常数；v为光子频率；A为能量系数；m的值有1/2和2两个,分别对应间接带隙和直接带隙.由于SnO2为直接带隙[15-16]，m取2.通过延长(hv)2-hv曲线线性部分到hv轴可以得到薄膜的光学带隙.从图1(d)中可以计算得出，SnBiO薄膜的光学带隙大于3.8eV，这个光学带隙要比IGZO带隙(3.17～3.38eV)大很多，这对于实现透明显示来说具有很大的优势.

2.2 a-SnBiO薄膜晶体管的性能

图2(a)表示出了a-SnBiO TFT的结构示意图.图2(b)和(c)分别显示了a-SnBiO TFT的转移特性曲线和输出特性曲线，从图2(a)中可以看到，曲线表现出了很好的开关特性.通过下式可以计算得出TFT的场效应迁移率[13]：

其中：ID为漏极电流；Ci为每单位面积介质层电容；UG为栅极电压；Uth为阈值电压；UD为漏极电压；W为沟道宽度；L为沟道长度.计算得出TFT的场效应迁移率为2.5cm2/(V·s-1)，开关比为2.0×107，亚阈值摆幅为0.8V/decade，阈值电压为0.7V.从输出曲线可以看到，线性区性能良好，说明源漏电极接触良好，并没有明显的电流拥堵效应.

图2 a-SnBiO TFT结构示意图(a)，a-SnBiO TFT转移曲线(b)和输出曲线(c)Fig.2 The structure diagram(a), the transfer curve(b) and output curves(c) of a-SnBiO TFT

图3(a～d)分别表示a-SnBiO TFTs的正偏压稳定性(Positive Bias Stress, PBS)、负偏压稳定性(Negative Bias Stress, NBS)、光照正偏压(Positive Bias Illumination Stress, PBIS)和光照负偏压(Negative Bias Illumination Stress, NBIS)的稳定性.测量偏压时，源漏电极接地，栅极施加20V(PBS、PBIS)、-20V(NBS、NBIS)，测试光照偏压稳定时，同时施加光照强度46000 lux的白色LED光.施加偏压PBS、NBS、PBIS和NBIS后阈值电压的漂移量总结如图3(e)所示.从图中可以发现，所有转移曲线在施加偏压后均表现出向负电压方向的漂移.这种现象是非常不正常的.因为对于性能良好的IGZO TFTs来说，PBS应该引起阈值电压的正向漂移，而非负向漂移.这是因为在PBS条件下，电场方向从栅极指向沟道层，因此沟道层中的电子会在电场的驱使下向沟道层/介质层界面移动，然后被界面处缺陷态捕获，从而导致沟道层中载流子数量减少，因此需要更大的栅压来形成通道，阈值电压右偏.对于本实验中a-SnBiO TFTs来说，很明显应该是载流子增加的过程.另外，在NBS下引起氧化物TFTs的载流子增加常常是由于外界水分吸附在背沟道层上并释放出电子或者背沟道吸附氧气的脱附形成的[17-21].对于本实验测试来说，由于在真空中测量，所以这种情况可以被排除.在PBS 1000s以后，阈值电压漂移量为-1.2V，这说明沟道层中载流子数量增加了.在光照下，即PBIS 1000s后，阈值电压漂移量更大，达到-7.9V.NBS 1000s后，阈值电压漂移量为-9.0V.

图3 在PBS(a)，NBS(b)，PBIS(c)，NBIS(d)条件下的转移特性曲线以及偏压下阈值电压随时间的变化量(e)Fig.3 The transfer curves of a-SnBiO TFTs under the conditions of PBS(a), NBS(b), PBIS(c)， NBIS(d) and the threshold voltage shifts under different stress conditions(e)

为了更好地解释上述现象，本文引入了能带图，如图4(a～d)所示.在PBS的作用下，一方面沟道层内的电子被吸引到沟道层和绝缘层的界面处，被缺陷态捕获；另一方面，电场会在沟道层内部或在源漏电极处会诱导产生类施主能级，释放电子.最终沟道层内电子浓度的变化以及表现出来的阈值电压的漂移方向是由这两种作用机制竞争的结果[22].且据文献报道，沟道层内被捕获的电子数与垂直方向上的电场强度有关，但施主缺陷态产生的电子数(VO+e-→VO2++3e-)却只与局域电场的强度与有关，而与方向无关[23].我们认为在a-SnBiO TFTs的偏压诱导漂移机制中，缺陷态电子的产生具有不可忽视的作用[17,24].在a-SnBiO沟道层中，有大量的施主缺陷态存在.因此，在PBS条件下，沟道层中由于局域电场的存在，缺陷态电离，产生大量的电子.同时，在电场作用下一部分电子在电场的作用下移动到a-SnBiO/SiO2界面，进而被缺陷态捕获.虽然如此，a-SnBiO层中电子依然高于施加偏压前，因此造成阈值电压的负向漂移.在NBS条件下，同样大量的电子产生，但是与PBS不同的是，此时电场方向由源漏电极指向栅极，电子沿电场方向向着沟道层内部移动，因此被界面态缺陷捕获的电子数量减少，造成体内载流子数目的增加的更多，因此相比PBS，NBS阈值电压负向漂移量进一步增加.光照同样可以作为能量输入，使得沟道层内电子数量增加[25-27].因此在PBIS偏压后，载流子数目增加量要比PBS增加的更多，导致阈值电压进一步劣化.最严重的情况发生在施加NBIS后，此时，由于光照和电场的共同作用，沟道层内电子增加的数量很多，且大部分移动向体内，因此阈值电压负向漂移量达到最大.在1000s NBIS偏压后，阈值电压漂移量达到了-13.3V.

图4 a-SnBiO TFTs在PBS(a)，NBS(b)，PBIS(c)和NBIS(d)条件下的能带图Fig.4 The energy band diagrams of a-SnBiO TFTs under PBS(a), NBS(b), PBIS(c) and NBIS(d)

3 结 语

本文利用射频磁控溅射的方法制备非晶氧化锡铋薄膜晶体管，并显示出良好的开关性能.但TFT在偏压测试下呈现出向负方向漂移的现象.负偏压漂移量要大于正偏压漂移量，且光照加剧了偏压不稳定性.这主要是由于沟道层内缺陷态过多，偏压下产生大量的载流子，因此负向漂移.电场方向决定了电子被缺陷态捕获的数量，正偏压下电子倾向于被沟道/介质层界面缺陷捕获，而负偏压被捕获的数量少很多.光照能够提供能量，使得沟道层内产生更多的载流子浓度，加剧偏压下的负向漂移量.