溶液法制备铟镓锌氧薄膜晶体管及其性能研究

史 恺，杨小天

吉林建筑大学 电气与计算机学院，长春 130118

0 引言

近年来半导体材料迅速发展,变化日新月异,Ge、Si等元素开始大批量投入市场应用.透明氧化物半导体作为新一代半导体的重要成员之一,引起了科研界的关注并且逐渐在微电子学及柔性电子学等多个领域广泛应用.从晶体管的发明发展到成功研制超大规模集成电路,半导体材料逐渐成为现代电子信息技术与新能源技术的重要基石.自20世纪60年代以来,研究一直关注器件制备低成本、大阵列显示和低功耗显示等方面.目前,关于新一代薄膜晶体管(TFT)的研究热点已经过渡到用透明氧化物作为器件的有源层材料.新型透明显示器件在平面显示、光学信息处理和抗辐射等领域有着Si基TFT无法比拟的优势.进而,各研究组对金属氧化物TFT进行大量的研究工作[1],2001年Yutaka Ohya等[2]人利用溶液法成功制备出氧化锌(ZnO)-TFT.此后,氧化锡(SnO)-TFT、铟镓锌氧(IGZO)-TFT和铟锌氧(IZO)-TFT也得到相应的发展,其中非晶的IGZO-TFT的综合性能最好[3].

1 薄膜晶体管的结构及工作原理

TFT的结构和工作原理与MOSFET极为相似,TFT主要由4个部分组成即分别是沟道层(亦称有源层即半导体材料)、绝缘层(亦称介质层)、源/漏电极和门电极(亦称栅极).根据门电极的数量,可将TFT的结构分为单栅TFT与双栅TFT.目前大多数的TFT结构均为单栅TFT,根据门电极所处位置的不同,又将单栅TFT分为顶栅顶接触、底栅顶接触、顶栅底接触和底栅底接触.

薄膜晶体管是由多数载流子形成导电通道的场效应器件,本文从能带的角度出发并结合转移曲线对薄膜晶体管的工作原理和导电沟道形成的3个主要过程进行综述.

(1) 当栅极电压VGS<0时,半导体的能带在沟道层与绝缘层之间的界面位置向上弯曲,逐渐形成电子耗尽区.器件的导电路径是半导体体内导电,因为薄膜内部迁移率很低,从而导致源漏电流IDS很小,即称这一电流为关态电流Ioff.由上述可看出半导体自身电学性质对Ioff的影响很大.

(2) 当00时,器件已经能够形成导电沟道,而在实际情况中,由于界面处有缺陷态的存在,电子要先填补缺陷能级.

(3) 当VGS≥Vth时,随着VGS进一步增加到某一数值时,费米能级会超过费米能级边,导致源漏电流发生突然变化，这一临界状态对应的电压称为阈值电压.因此,可看到Vth受沟道层的缺陷态影响很大.这时电子的迁移率由于费米能级进入导带而变得很大,器件的导电沟道已经形成.

2 铟镓锌氧化物薄膜的制备方法

随着透明氧化物薄膜的广泛应用,相应的各种制备氧化物薄膜技术也逐渐发展起来.早期透明氧化物薄膜使用的衬底主要是玻璃、陶瓷等硬质地材料.近几年,随着柔性电子学和透明电子学的兴起,工业上对于柔性透明显示屏的需求越来越高,人们开始更多地关注在柔性衬底上制备氧化物薄膜.在聚合物塑料、聚乙烯等柔性衬底上制备的薄膜不仅有在硬质地衬底材料上相似的特性,还具有重量轻、可弯曲和易于大面积制备等多种优势.目前,国内对于在柔性衬底上制备透明氧化物薄膜的研究关注度很高,成熟的薄膜制备方法通常分为化学方法和物理方法等两大类,包括各种真空蒸发技术(Vacuum evaporation technique,英文缩写为VET)、分子束外延(Molecular beam epitaxy ,英文缩写为MBE)和溅射(Sputtering)等.脉冲激光淀积(Plused laser deposition,英文缩写为PLD)[4]诞生于20世纪60年代,直到上个世纪高温超导薄膜成功制备后引起人们的关注.下面主要介绍几种常见的薄膜制备技术及其特点.

2.1 脉冲激光沉积

脉冲激光沉积(PLD)是用高能的脉冲激光轰击靶材，使靶材表面物质熔蒸出来然后沉积在衬底材料上形成薄膜.PLD的反应过程十分复杂，首先让激光经棱镜聚焦照射在靶材上，使靶材急剧升温蒸发成气体，靶材气体又会在激光照射下逐渐电离成等离子体，等离子体中的原子和离子在靶材附近产生与靶材垂直的高度定向扩展束流在衬底上传播，最后形成薄膜，与一般的蒸发技术相比，PLD具有可以蒸发高熔点靶材料、同组分淀积、控制脉冲激光的功率和次数可实现多层外延生长等优势.但它也有局限性，比如蒸发的温度过高会使蒸发靶材形成的粒子容易离子化，薄膜的淀积过程中通常会残留小颗粒，扩展束流有很高的定向性，只能在很小的范围内形成厚度均匀的薄膜.

2.2 磁控溅射

溅射(Sputtering)最早由英国人Grove在1852年发现,属于物理气相沉积.20世纪20年代,Langmuir基于溅射现象发展成的薄膜沉积技术是目前应用最广泛的薄膜制备技术,该技术几乎能在所有已知的衬底上溅射任何材料.溅射就是在真空的反应室中,高能粒子与靶材碰撞.作为工作气体的氩气(Ar),电离后可以提供轰击粒子,在靶中经历复杂散射过程后和高纯度的靶原子碰撞,靶原子在获取能量后又和其他靶原子碰撞,从而形成级联过程,最后沉积为薄膜.溅射可分为双极直流反应溅射、射频溅射、磁控溅射及偏压溅射.磁控溅射因能制备厚度均匀的薄膜且工艺重复性较好,成为应用最广泛的技术,其缺点是易损伤薄膜表面,因此多用来制备多晶结构薄膜[5].

2.3 溶液法

溶液法亦称溶胶-凝胶(Sol-gel)法[6-8].与其他薄膜制备技术相比,溶液法具有工艺简单易操作、成本较低、不需要真空条件和易于大规模生产等优势,受到业界的广泛关注.过程是将制备薄膜所需的各组分无机盐或金属醇盐等材料(称为前驱物)使用物理或化学方法处理,使其溶于有机溶剂中.前驱物继续通过水解、胶化等反应形成均匀稳定的溶胶溶液,再次处理后变为凝胶.采用恰当的涂敷工艺将凝胶涂敷在衬底材料表面,最后经过合适的温度处理过程形成固体薄膜.常用的有机溶剂主要有乙醇、甲醇和聚乙二醇甲醚(2-MOE)等.由于溶胶的极不稳定性,在长时间放置后易发生团聚,进而变得浑浊,所以制备过程中通常还要加入单乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)等稳定剂.常见的涂敷工艺包括旋涂(Spin-coating)法、喷雾(Spray-coating)法[9]及喷墨打印(Ink-jet printing)法[10]等.本实验分别采用旋涂法和喷墨打印法制备IGZO薄膜.

3 实验

本实验采用溶液法制备IGZO薄膜,制备过程可分为以下几个步骤:① 溶液配置;② 衬底清洗;③ 旋涂和喷墨打印薄膜;④ 薄膜退火处理;⑤ 采用光刻工艺及喷墨打印技术进一步制成薄膜晶体管器件.

3.1 薄膜制备

试剂:采用4.5水合硝酸铟(In(NO3)3·4.5 H2O分析纯)、水合硝酸镓(Ga(NO3)3·xH2O分析纯)及二水合醋酸锌(Zn(CH3COO)2·2 H2O分析纯)分别作为为铟、镓、锌金属源,溶解在二甲氧基乙醇(CH3OCH2CH2OH 分析纯)中,并且加入一定量的乙醇胺(C2H7NO.分析纯)作为稳定剂[11-12].配置一份5 mL浓度为0.24 mol/L 的IGZO溶液,铟、镓、锌三种元素摩尔比保持在2∶1∶7,加入搅拌子在磁力搅拌器中搅拌1 h,温度保持在150℃.取出静置24 h后经过滤可得到均匀透明溶液.

衬底清洗:本实验在SiO2/Si衬底上涂膜,衬底的洁净程度对薄膜的性能影响较大.用超声波清洗机在丙酮中清洗10 min,然后在无水乙醇中清洗10 min除去残余的丙酮,接着在超纯水中清洗10 min除去残余的乙醇.上述步骤可去除硅片表面的玷污、有机物和颗粒等,最后烘干便可得到洁净的SiO2/Si衬底.

旋涂及喷墨打印薄膜:采用匀胶机进行旋转涂膜.将溶液滴在SiO2/Si衬底上,然后以2 500 r/min的速度旋转,40 s完成甩胶,在100℃热板上预烘1 min,重复1次上述步骤可得到厚度较为均匀的薄膜;喷墨打印制备薄膜即利用喷墨打印设备直接在硅片上打印出图案化的有源层.

退火处理:由于旋涂及喷墨打印制备的IGZO薄膜包含有机杂质,性能较差[13],因此要借助高温退火处理来改善薄膜性能.

3.2 器件制备

通过旋涂方法得到的有源层薄膜,使用光刻工艺形成图案,再配合电子束蒸发设备制备源漏电极;喷墨打印制备的图案化的薄膜,使用SIJ喷墨打印设备在有源层上覆盖源漏电极.器件制备好后,使用半导体测试仪进行薄膜晶体管的电学性能测试.

4 结果与讨论

图1为不同方法制备的IGZO-TFT 的转移特性曲线(图1中VGS为栅电压,IDS为漏源电流),测试时,漏源电压为20 V,栅电压扫描范围为-10 V～+40 V.由图1可很明显地分辨出关态区和开态区,说明栅电压对TFT的开关态有较好的调控作用.

在TFT的转移特性曲线中,当VGS≤Voff(关态电压)时,TFT处于截止区,此时沟道中的电流为漏电流,即关态电流;当VoffVGS-VTH时,TFT进入饱和工作区,此时TFT中的电流和电压满足以下关系[14]:

(1)

式中,IDS为漏源电流,A;μ为迁移率,cm2/(V·s);W为沟道宽度,nm;Ci为绝缘层单位面积的电容,F/cm2;VGS为栅电压,V;VTH为阈值电压,V;L为沟道长度,nm.

TFT的电学特性主要包含4个参数即迁移率、阈值电压、开关比和亚阈值摆幅.由式(1)可得到：

(2)

图2为不同方法制备的 IGZO-TFT 的IDS1/2-VGS曲线,做直线部分的延长线,求出该延长线的斜率和与X轴的焦点,可得到TFT的阈值电压和饱和迁移率[14].

图1 不同方法制备的IGZO-TFT 的转移特性(漏源电流IDS-栅电压VGS)曲线Fig.1 Transfer characteristic (drain-source current IDS-gate voltage VGS)curves of IGZO-TFT prepared by different methods

图2 不同方法制备的 IGZO-TFT的IDS1/2-VGS曲线Fig.2 IDS1/2-VGS curves of IGZO-TFT prepared by different methods

阈值电压VTH系指使源漏电极间形成导电沟道所需的栅电压即表示TFT处于开启状态时所需的最小栅电压.迁移率系指载流子在单位电场下的漂移速度,是TFT最重要的性能参数之一.用K表示IDS1/2-VGS曲线直线部分的斜率,则迁移率μ的计算公式为:

(3)

开关比被定义为开态电流和关态电流的比值,它反映了器件开启和关闭的能力.开态电流大表明器件的驱动能力强,关态电流小则器件的漏电流小.

亚阈值摆幅SS是指在亚阈值区,源漏电流增加一个数量级所需要增加的栅电压,其计算公式为:

(4)

它可反映TFT从关态到开态的变化速度,亚阈值摆幅越小,TFT在开态和关态之间变化得就越快,栅电压对TFT的调控能力越强.

表1为不同方法制备的IGZO-TFT的性能参数,可看出两者的性能存在差异性.

表1 不同方法制备的IGZO-TFT的性能参数Table 1 Electrical properties of IGZO-TFT prepared by different methods

5 结语

溶液法制备金属氧化物薄膜材料的主要优势包括工艺简便易操作、掺杂可控及容易粘附,较容易实现大范围均匀薄膜的制备且制备成本较低,在未来光电器件的研究与发展中具备较大的应用潜力,因此受到相关业界的广泛关注.本文采用旋涂、光刻及直接喷墨打印方法制备了图案化的IGZO有源层结构,并研究了IGZO薄膜晶体管器件的电学性能，但目前溶液法技术尚不成熟,比如需要高温处理有机溶液中的杂质以及界面缺陷态密度对器件性能的影响,需要进一步完善.研发新工艺来改善薄膜微观结构与电学、光学性能,从而真正实现溶液法制备非晶IGZO材料与低温工艺相兼容,真正实现产业化.