氧氩比对MoZnO薄膜晶体管性能的影响

刘建文，高晓红，岳廷峰，孟 冰，付 钰

吉林建筑大学 电气与计算机学院，长春 130118

0 引言

氧化锌(ZnO)是重要的宽禁带半导体材料，它有优异的光电性能、低生长温度、高耐辐射性能、无毒无害、环境友好、储量丰富等优点.与传统的硅基TFT相比，ZnO基TFT更受欢迎，并已应用于驱动有源矩阵平板显示器(AMFPD)，如IGZO,AZO,TZO等[1-2].其中铟镓锌氧化物(IGZO)引起了更多关注，因为铟和镓与ZnO具有出色的晶格匹配性，Ga可以通过抑制氧空位的形成控制载流子浓度[3].考虑到铟是有毒且昂贵的，因此，迫切需要找到更好的替代元素.为了解决这些问题，我们尝试在显示器中常用的金属材料ZnO中掺杂钼(Mo).众所周知，ZnO薄膜的导电性是由晶格中的间隙金属原子和氧空位决定的，两者的离子半径的差异不大(Zn2+半径0.06 nm；Mo6+半径0.062 nm)使得掺杂不会造成明显的晶格畸变.而且，与Zn原子相比，Mo可以再提供4个自由载流子，以减少相同数量载流子的离子散射效应[4]. 氧化锌中Mo原子取代Zn位可以产生非本征载流子，使MoZnO成为最有潜力的TFT材料之一[5].

为了研究MoZnO TFT的性能，我们在实验中对不同氧分压对器件性能的影响进行了研究，氧分压是影响迁移率，阈值电压等性能的最重要因素之一.本文使用磁控溅射方法在室温下制备了底栅型MoZnO TFT，使用X射线衍射仪(XRD)与紫外可见分光光度计对薄膜的结晶性与光学特性进行了表征，使用半导体参数测试仪测试器件的性能，并解释了氧分压对MoZnO TFT性能的影响机理.

1 实验

采用射频磁控溅射法在kurtJ.Lesker的PVD 75型磁控溅射设备上制备MoZnO薄膜.溅射靶材采用的是纯度为99.99 %的高纯ZnO陶瓷靶以及纯度为99.99 %的高纯Mo靶；基片是具有100 nm SiO2介电层的Si(004)衬底，先用丙酮超声清洗10 min，再用乙醇超声清洗10 min，最后用去离子水超声清洗10 min.溅射时工作气体为氩气，反应气体为氧气，薄膜沉积之前，先预溅30 min以清除靶表面杂质.沉积时ZnO靶溅射功率为150 W，Mo靶溅射功率为3 W，溅射压强8 m Torr，生长温度为室温，薄膜厚度45 nm，氧氩比(O2∶Ar)控制为5∶95，15∶85，25∶75，35∶65.然后将薄膜进行湿法光刻，蒸镀Al电极.器件制备完成后采用快速退火炉在300℃下空气氛围下退火15 min.

图1、图2是TFT器件的结构示意图和显微镜照片.器件沟道长10 μm，宽300 μm.使用半导体参数测试仪测试TFT器件的电学性能，采用X射线衍射仪分析MoZnO薄膜的结晶特性，采用紫外分光光度计来分析薄膜的光学特性.

图1 TFT器件的结构示意图Fig.1 Schematic diagram of TFT device

图2 显微镜照片Fig.2 Microscope photo

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

图3为不同氧氩比条件下的MoZnO薄膜的XRD图谱.

图3 不同氧氩比下的MoZnO薄膜的XRD图谱Fig.3 XRD patterns of MoZnO thin films under different oxygen-argon ratios

由图3可以看出，4个薄膜的XRD均出现了ZnO(002)峰[6]，对应衍射角为34.1°说明晶体沿c轴择优取向生长[7]，并且图中未出现其他晶向，说明Mo的掺杂没有改变ZnO的六方纤锌矿的结构[8].随着氧氩比的增大，衍射峰强度逐渐减小，这是由于随着氧氩比的增加，Ar的相对含量减小，氩离子对靶材的轰击作用小于氧离子对靶材的轰击作用，导致MoZnO薄膜结晶质量下降[9].

2.2 光学特性分析

图4为不同氧氩比条件下制备的MoZnO薄膜透过率.所有薄膜在可见光范围内(波长400 nm～700 nm)具有较高的透过率，平均透过率均在90 %以上.图5是不同氧氩比条件下制备的MoZnO薄膜的(αhν)2-(hν)曲线.

图4 不同氧氩比MoZnO薄膜透过率Fig.4 Transmittance of MoZnO film with different oxygen-argon ratio

图5 不同氧氩比MoZnO薄膜的光学带隙Fig.5 Optical band gap of MoZnO film with different oxygen-argon ratio

根据Tauc公式(1)[10]:

(αhv)=B(hv-Eg)1/2

(1)

式中，α为吸收系数，L/g·cm-1；hν为光子能量，eV；Eg为光学带隙值，eV[11]；其中B为常数.

在O2∶Ar为5∶95,15∶85,25∶75,35∶65的制备条件下，所制备的薄膜的光学带隙分别为3.235 eV,3.259 eV,3.264 eV,3.282 eV，结果表明光学带隙随着氧氩比的增大而增大，这是因为有源层对氧分压变化十分敏感，随着氧氩比的增大，占据导带底的氧空位缺陷减少导致了薄膜光学带隙的增加[12-13].

2.3 TFT器件性能分析

图6为不同氧氩比下制备的MoZnO TFT的输出特性曲线.

(a) O2∶Ar=5∶95(b)O2∶Ar=15∶85(c)O2∶Ar=25∶85(d)O2∶Ar=35∶65图6 不同氧氩比下制备的MoZnO TFT的输出特性曲线Fig.6 The output characteristic curve of MoZnO TFT prepared under different oxygen-argon ratio

图7 不同氧氩比条件下制得的 MoZnO TFT的转移特性曲线Fig.7 Transfer characteristics of MoZnO TFTs prepared under different oxygen-argon ratios

从图5中可以看出，制备的器件具有良好的栅压调制作用和饱和特性.IDS随着VDS的增大而增大，意味着晶体管是典型的N沟道场效应晶体管，工作在增强型模式下.在低的栅压区域没有电流拥挤的现象，说明TFT器件Al电极和MoZnO沟道层具有良好的欧姆接触.器件的输出性能随着氧氩比的增大逐渐增强，当O2∶Ar=5∶95时器件的输出性能最差，当施加的栅极电压VGS为40 V时，漏极电压VDS为20 V时，源漏输出电流IDS为11.7 μA，而当O2∶Ar=35∶65时,TFT器件的输出性能最好，IDS达到41.2 μA.

图7为不同氧氩比条件下制得的MoZnO TFT的转移特性曲线.从图5可以看出TFT器件具有较为良好的开关特性.MoZnO TFT的主要性能参数如表1所示.

随着氧氩比的提高，器件的开关特性有着较为明显的变化，器件的开关比先提高后减小，当O2∶Ar为25∶75时，开关电流比Ion/Ioff最高，为3.42×107.随着氧氩比的提高，阈值电压从21 V右移至13 V.

其中，载流子迁移率计算公式(2)为[14]：

(2)

计算结果见表1，随着氧氩比的提高，相应的载流子迁移率呈现出先增大后减小的趋势，O2∶Ar为25∶75时载流子迁移率最大，为0.72 cm2·V-1.这是由于随着通入氧气的增多，氧空位的缺陷会减小，则对薄膜中的载流子的散射作用会减弱，载流子浓度升高，器件的迁移率也逐渐增大.但是随着氧气含量过多，薄膜中的氧空位过少，则氧空位提供的自由电荷载流子减少，导致有源层的载流子浓度降低，因此器件的迁移率降低.

SS为亚阈值摆幅，表征了器件的开启速度.随着氧氩比的增大，薄膜表面陷阱密度逐渐减少，被束缚着的自由电荷数量减少，导致增加栅压时电流增速相对加快，SS减小；但是当氧氩比增加到一定程度后，虽然被束缚的自由电荷数量减小，但主要由于载流子浓度降低，自由电荷的总数急剧减少，增加栅压时电流增速也比较慢，因此，SS又逐渐增大.

利用式(3)可以计算界面缺陷态密度[15]：

(3)

式中,SS为亚阈值摆幅，V/decade；k代表玻尔兹曼常数，J/K；T是绝对温度，K；q是单位电子电量，C；Ci代表单位面积栅介质电容，mF/cm2.如表1所示，当氧氩比为25∶75时的界面缺陷态密度最低，为3.04×1018cm-2·eV-1.

3 结论

利用湿法光刻技术和射频磁控溅射的方法在Si衬底上制备了底栅型MoZnO薄膜晶体管，研究了不同氧氩比对MoZnO薄膜晶体管电学性能的影响，用XRD对有源层薄膜进行了结晶特性的表征，发现随着氧氩比的提高，薄膜结晶质量下降.用紫外分光光度计表征薄膜光学特性，显示薄膜在可见光区域平均透过率均在90 %以上，带隙随着氧氩比提高而增大.O2∶Ar为25∶75时器件性能最佳，电流开关比为3.42×107，阈值电压为17.8 V，亚阈值摆幅为4.2 V-1·decade-1，载流子迁移率为0.72 cm2·V-1，界面缺陷态密度Ni为3.04×1018cm-2·eV-1.