铝掺杂氧化锌薄膜晶体管研究发展现状

王 冶 李东茂 王 超*

（吉林建筑大学 电气与计算机学院，吉林 长春130022）

金属氧化物薄膜晶体管因其优异的光学和电学性能而备受关注，比起传统的硅薄膜晶体管，它们具有更强的竞争力。大量关于金属氧化物薄膜晶体管的研究是基于氧化锌（ZnO）的，其中，lGZO-TFT 由于其优越的性能成为了最常用的材料，不过其可靠性仍然值得商榷，尤其是铟（In）元素的高成本与高毒性。为了解决上述问题，需要继续寻找新的材料。而铝（Al）由于储量丰富并且无毒环保走进人们的视线，实现有效铝掺杂后，AZO-TFT 具有优良的性能。

下面就近年来不同方法制备AZO-TFT 有源层的研究进行综述。

1 射频磁控溅射

射频磁控溅射法由于其稳定性好，薄膜重复性和均匀性好等优点，成为制备氧化物半导体层的重要方法[1]。2013 年，Jian Cai 等[2]在玻璃衬底上成功制备高性能顶栅结构AZO-TFT，所有的工艺温度均低于100℃，以氧化铟锡（ITO）作栅极与源漏电极，150 nm 厚的二氧化硅（SiO2）作绝缘层，室温下溅射沉积100nm 厚的AZO 作有源层。当VG=-2～5V 时，该器件显示出优良的性能，其饱和迁移率达到285cm2/V.s，场效应迁移率143cm2/V.s，阈值电压为0.9V，亚阈值摆幅0.11V/decade，开关比达到2×109并且拥有82.5%的高透过率, 其优良的性能足以媲美IGZO-TFT 器件。

Dedong Han 等[3]于室温下通过射频磁控溅射在柔性聚酯塑料衬底上制备了100nm 厚度的AZO 薄膜有源层并制成器件，该器件以Al 作为栅极与源漏电极，150nm 厚的SiO2 薄膜作绝缘层，并显示出n 沟道器件特性，阈值电压1.3V，开关比2.7×107，场效应迁移率达到了21.3cm2/V.s，亚阈值摆幅0.23 V/decade，室温下关断电流小于10-12A，获得了高性能的柔性基底薄膜晶体管。

Dongfang Shan 等[4]提出了室温下制备全透明反转堆叠式AZO-TFT 的方法，以150nm 厚的SiO2作绝缘层，ITO 作栅极和源漏电极, 在室温下于玻璃衬底上溅射厚度50nm 的AZO 有源层并制成器件，迁移率为59.3cm2/V.s，开关比达到2.7×108，亚阈值摆幅0.12V/decade，并花费了六个月时间研究器件的稳定性并证明了其稳定性，对器件进行磁滞回线扫描发现其几乎没有磁滞现象。2014 年，Junchen Dong 等[5]通过在AZO 有源层中掺入稀土元素钆（Gd），制成底栅顶接触结构的Gd-AZO 薄膜晶体管，该器件以2 英寸玻璃为衬底，130nm 厚度的ITO 作栅极，150nm 厚的SiO2作绝缘层，130nm 厚度的ITO 作源漏电极。该器件实现了优异的负偏压稳定性和透过率，饱和迁移率238cm2/V.s，开关比6.08×108，阈值电压1.92V，亚阈值摆幅0.16 V/decade，作者认为通过向AZO 掺杂稀土元素可以用于未来的显示工业。

Dedong Han 等[6]对比了顶栅型与底栅型AZO-TFT 的电学特性，器件皆以柔性聚酯塑料作衬底，100nm 厚度的SiO2作绝缘层，100nm 厚度的ITO 作栅极与源漏电极，100nm 厚度的AZO作有源层。结果显示，顶栅型AZO-TFT 阈值电压为1.4V，开关比为1.0×107，场效应迁移率28.2cm2/V.s，亚阈值摆幅0.19V/decade，而底栅型AZO-TFT 阈值电压为1.7V，开关比1.0×107，场效应迁移率209cm2/V.s，亚阈值摆幅0.16 V/decade。

两种薄膜晶体管都表现出低阈值电压、高离子/离子迁移率和高场效应迁移率的特性。相比之下，底栅型AZO 薄膜晶体管表现出更好的特性。2017 年，Wen Yu 等[7]提出以铝封顶的形式对底栅型的AZO-TFT 进行增强。器件以玻璃作衬底，100nm厚的ITO 作栅极，107nm 厚的SiO2作绝缘层，75nm 厚的ITO 作源漏电极，使用陶瓷靶溅射30nm 厚的AZO 作为有源层。着重研究了铝覆盖层厚度和后退火条件对薄膜晶体管性能的影响。

结果表明，在背沟道上引入铝覆盖层可以显著提高AZO 薄膜晶体管的性能，饱和迁移率显著地从0.128cm2/V.s 增加到12.6cm2/V.s。这种增强归因于铝原子扩散到AZO 薄膜中，从而导致结晶质量改善。

作者认为该工艺可以延伸至其他氧化物薄膜晶体管。2019年，Xiaobin Zhou 等[8]采用射频磁控溅射技术，在不同功率（70W、100W、150W 和200W)下，在玻璃衬底上制备了底栅结构的高性能AZO-TFT，器件以100nm 厚的钼（Mo）作栅极，100nm厚的SiO2作绝缘层，使用射频磁控溅射在室温下制备30nm 厚的AZO 作为有源层，100nm 厚的ITO 作源漏电极。在所有的器件中，以70W 功率溅射的AZO 为有源层所制备的AZO-TFT 表现出优异的特性，饱和特性迁移率为13.167cm2/V.s，亚阈值摆幅

为0.13mV/decade，开关比为1.63×109。此外，在70 W 功率下制备的器件还显示出良好的输出特性、高均匀性和优异的偏置应力稳定性。阈值电压偏移在正/ 负栅极应力下分别为0.7V/0.8V。

2 原子层沉积（ALD）

近年来，ALD 工艺由于其精确的厚度控制以及该工艺在三维结构上优异的一致性与均匀性引起人们的关注[9]。2016 年，Won-Ho Lee 等[10]提出一种可以同时实现薄膜晶体管与电阻变化存储器（RCM）功能的器件，该器件以玻璃片作衬底，将150nm厚的ITO 层图案化到底部栅极中。使用三甲基铝（TMA）和水蒸气分别作为铝和氧源，通过ALD 在150℃下沉积100nm 厚的Al2O3层作为底部绝缘层。通过用磷酸去除给定区域来打开接触孔。这些接触孔具有在每个电极和相应的测试焊盘之间形成电连接的作用。

在打开金属接触之后，通过室温下的直流溅射沉积厚度为150nm 的ITO 作为源漏电极。在图案化源漏电极之后，由ALD沉积了20nm 厚的AZO 薄膜，其中二乙基锌（DEZ）和TMA 分别用作锌和铝前体，并且提供水蒸气作为反应物。衬底温度固定在100℃。通过控制DEZ 和TMA 的循环数比为19∶1 来确定AZO 膜的组成。然后由ALD 在150℃沉积9nm 厚的Al2O3层作为保护层,并最终将Al2O3保护层厚度确定在9nm。最后，通过铝的热蒸发和剥离图案化形成顶部电极和源漏电极焊盘。该器件在实现薄膜晶体管功能时，具有良好的性能，其场效应迁移率为0.07cm2/V.s，亚阈值摆幅为0.69 V/decade，阈值电压为1.9 V。作者认为该RCM-TFT 器件有希望作用于多功能大面积电子产品中。Eom-Ji Kim 等[11]提出了一种控制阈值电压的方法，该方法通过调整薄膜晶体管的AZO 有源沟道内的铝掺杂层的位置来实现。

在ALD 过程中，通过在总共50 个循环中的第13、19、38 和44 个循环中插入铝循环序列来控制铝掺杂剂层的位置。采用ALD 于玻璃衬底上制备了AZO-TFT。AZO 的沉积温度被设定为100℃,并且引入的Al 的量被设定为2%。DEZ、TMA 和H2O 分别被选为Zn、Al 和O2源。在150℃下沉积9nm 厚的Al2O3作为保护层，在图案化AZO 有源层沟道区域后，150℃下沉积100nm 厚的Al2O3作为绝缘层。并且通过湿法化学蚀刻穿过Al2O3绝缘层打开接触孔，同时栅极和源漏电极是通过溅射法沉积ITO 薄膜形成的。最终研究发现，通过调整TMA 序列的晶体管，掺入Al层的位置对薄膜晶体管的结构结晶度和温度依赖性电导率变化没有明显影响。而当Al 掺杂剂层结合在不同位置时，制备的顶栅AZO-TFTs 的阈值电压发生了显著的变化。

2017 年，Jun-Kyo Jeong 等[12]采用原子层沉积法制备了不同铝浓度的铝掺杂氧化锌薄膜，以确定铝掺杂对双叠层有源层薄膜晶体管的影响。在该研究中，由ALD 形成100nm 厚的AZO 薄膜，其中TMA 和DEZ 在100℃下交替注入。去离子H2O 和氮气用作吹扫气体。脉冲时间和吹扫时间分别为0.5 和10 秒。调节DEZ 和TMA 的循环比，以将AZO 中的铝的量控制在4∶1 至49∶1。热生长120nm 厚的SiO2 电介质层作为绝缘层。之后，由ALD 分别在100℃和80℃沉积AZO/ZnO 层作为有源层。AZO 层的厚度为10nm，ZnO 层的厚度为50nm。作为参考器件，ALD 还沉积了60nm 厚的ZnO 层。通过射频磁控溅射沉积钛（Ti）来进行源漏电极接触，并通过剥离工艺形成图案。通过射频磁控溅射在硅晶片的背面沉积铝电极进行背栅接触。所有制造的器件在N2和O2氛围下在250℃的管式炉中退火1 小时。研究表明，最佳铝掺杂浓度约为2%。制备的具有AZO（2%）/ZnO 双叠层有源层的薄膜晶体管在O2氛围下退火后，阈值电压0.61V，亚阈值摆幅0.42V/decade，场效应迁移率1.013cm2/V.s，开关比4.04×107。

3 溶液法

在诸多薄膜生长技术中，溶液法由于其制备工艺简单，生产成本低，可实现大面积生产，具有广阔的应用前景[13]。2017 年，Darragh Buckley 等[14]为了制备5 摩尔百分数（mol%）铝的AZO膜，通过将0.1407 克九水合硝酸铝[Al（NO3）3.9H2O]溶解在10 毫升二甲氧基乙醇中来制备铝溶液。将该溶液加入到0.75 摩尔（mol）乙酸锌溶液中，并在60℃搅拌2 小时。所有薄膜样品都沉积在尺寸为2cm×2cm 的p 型硅片上。在沉积之前，通过在丙酮、异丙醇和去离子水中的超声波处理来清洁基材，然后使用扫描紫外线臭氧系统进行30 分钟的紫外线臭氧处理。使用台式旋转涂布机从液体前体沉积薄膜。将适当的溶液滴加到基底上，并以3000 转每分钟（r/min）的转速转30 秒，包括5 秒的斜坡时间。

随后，样品在露天对流烘箱中于250～270℃之间干燥5 分钟。在样品在300℃进行1 小时的最终退火处理之前，该沉积过程可以根据需要重复多次。这项工作最终展示了一种确定金属氧化物的光学厚度和定向反射率的方法。Venkateshwarlu Sarangi 与Srinivas Gandla[15]使用溶液法成功制备底栅顶接触型AZO-TFT。他们首先将六水合硝酸锌（Zn（HNO3）2.6H2O）和乙酰丙酮（C5H8O2）溶解在2ml 乙氧基乙醇（C6H14O3）中，得到0.05mol的溶液。此外，Al（NO3）3.9H2O 和C5H8O2溶解在二甲氧基乙醇中，得到0.005 mol 溶液。将Zn（HNO3）2.6H2O 和Al（NO3）3.9H2O 溶液老化12 小时，使金属硝酸盐完全溶解在各自的溶剂中。燃烧前体溶液与Al（NO3）3.9H2O 溶液的摩尔百分数变化（3%、5%、7%和9%）混合。最后，在薄膜流延之前，将纯ZnO 和不同摩尔浓度的AZO 溶液在热板上在磁力搅拌加热至60℃并持续1 小时。在硅片上制作薄膜晶体管。热生长的SiO2用作硅衬底上的绝缘层。然后，在该SiO2层的顶部，以3000r/min 的转速，在SiO2/Si 衬底上旋转涂覆纯ZnO 和AZO 燃烧前体30 秒。薄膜在150℃下预热5 分钟，蒸发掉残留的溶剂，重复该过程，直到获得所需的厚度。样品在250℃退火1 小时。退火温度保持1 小时，然后在环境中缓慢降至室温。最后，使用热蒸发法制备沟道长度为100微米（μm）、宽度为600μm 的Al 用于源漏接触。最终发现溶液摩尔百分数为7%时该器件性能最优，场效应迁移率1.2cm2/V.s，阈值电压17V，亚阈值摆幅4.5V/decade，开关比达到106。

4 热蒸发法

热蒸发法具有设备易操作，成膜效率高，速率快等优点[16]。2010 年，Hsin-Chiang You 与Shiang-Jun Zhang[17]提出在硅衬底上使用热蒸发法制备AZO-TFT。他们用RCA 清洁剂处理p 型晶片以去除表面颗粒和金属离子污染物。

接下来，在高温水平炉中通过湿式氧化生长100nm 厚的SiO2作栅极。在使用反应离子蚀刻（RIE）去除背面100nm 厚的SiO2之后，接着进行标准清洁以防止表面污染。然后，通过使用颗粒和热蒸发工艺形成10nm 厚的AZO 有源层。最后，通过热蒸发法形成最终的底部Al 栅极，然后沉积顶部的Al 源极和漏极。不过原子力显微镜分析表明，AZO 薄膜表面粗糙度质量不是很好。如果将其用作有源层，可能会影响载流子运动，作者认为原因可能是热蒸发法沉积速度过快或者真空度不够。不过作者认为控制沉积速度或者提升真空度后，热蒸发法制备AZO-TFT 是可行的。

5 结论

很显然，目前射频磁控溅射制备AZO-TFT 有源层的工艺已然十分成熟，其制备的器件性能优良，但其也有生长速率慢，存在射频辐射等局限性。而ALD 等其他工艺仍在发展阶段，关于溶液法或者真空蒸发镀膜法的报道依然是少数，并且其制备的器件性能明显劣于射频磁控溅射法制备的AZO-TFT。AZO-TFT 具有广阔的发展前景，有理由相信，未来关于AZO-TFT 的研究将会继续增加，而制备有源层的工艺也将更加完善与多样。