多孔SiO2为栅介质的IGZO基双电层薄膜晶体管

临沂大学物理与电子工程学院 崔胜战 张健豪 王晓新 阙怡涵 马卓杰 杜路路

薄膜晶体管的低电压操作一直是研究者期待解决的问题。双电层电容具有巨大的电容，被认为是低功耗电子器件有希望的候选材料。我们以磁控溅射技术沉积多孔SiO2固态电解质薄膜为介质层，制备了铟镓锌氧（InGaZnO：IGZO）基双电层薄膜晶体管（EDLT）。多孔SiO2薄膜表现出大的双电层电容（0.2μF/cm2），具有大的栅极调控作用。因此，IGZO基EDLT可以工作在<1V的栅极电压下。

以铟镓锌氧InGaZnO（IGZO）为代表的氧化物半导体具有宽带隙（3.4eV）、高载流子迁移率、对可见光透明、可大面积均匀成膜、以及可低温甚至室温成膜（因而可在柔性衬底上制备）等特点，因此对柔性、透明、和可穿戴电子特别有利。基于IGZO的薄膜晶体管在平板显示器上已经得到了商业化应用，但是目前主要的挑战是功耗大。双电层薄膜晶体管（EDLT）由于其电解质具备丰富的可移动离子，在外加栅压的作用下，可移动的离子发生定向漂移，在栅电极/电解质和电解质/半导体的界面积累，形成双电层（EDL）。EDL的厚度～1nm，因此具备极高的双电层电容，通常>1uF/cm2。有效增强了栅调控能力，降低晶体管的功耗。最近，溶液处理的离子液体/凝胶和聚合物电解质，以及氧化物基固态电解质（SiO2，Al2O3）已被用于降低TFT的工作电压。然而，溶液态的电解质材料往往形状难以控制，通常需要光刻或者印刷工艺。与离子液体/凝胶和聚合物电解质相比，基于氧化物的固态电解质具有许多优势，例如可控的形状和厚度以及高稳定性。固态多孔SiO2电解质近几年得到广泛研究，但是大多数采用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD），通常需要高成本和消耗时间比较长（高真空和低沉积速度）。比如，南京大学万青教授课题组使用PECVD沉积多孔SiO2制备了IGZO EDLTs，实现了高性能，例如1.0V的低工作电压、<80mV/dec的低亚阈值摆幅以及～106的高开关比。然而制备成本相对较高且大面积不兼容。

在这篇文章中，我们制备了基于IGZO的EDLT，其介质层为射频磁控溅射法沉积的多孔SiO2固态电解质薄膜。我们用原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）研究了SiO2介质层的表面形貌结构和横截面结构特征；用电学性能测试系统，研究了SiO2介质薄膜的电容特性和击穿特性。研究结果表明，SiO2薄膜具有多孔结构，并且可以形成巨大的双电层电容。此外，基于SiO2固态电解质制备的IGZO基EDLT显示出<1V的低操作电压和可以接受的开关比～5×104（Vgs:-3V～3V）。

1 实验

我们制备了一个底栅顶接触的IGZO基EDLT。首先，选用重掺杂P型硅作为衬底和栅电极材料，依次使用迪康、去离子水、丙酮、乙醇超声清洗，并用N2吹干；其次，使用射频磁控溅射法沉积150nm厚SiO2薄膜作为介质层，其中溅射功率为60W，氩气流速为40sccm；再次，使用磁控溅射技术在室温下沉积24nm厚的IGZO层作为有源层；最后，使用电子束蒸发沉积Ti/Au（50/20nm）作为源/漏电极。有源层长和宽分别为60和2000μm。使用扫描电子显微镜（SEM,FEI Nova NanoSEM 450）测试溅射SiO2的横截面结构。使用原子力显微镜（AFM,Dimension FastScan™）测试溅射SiO2的表面形貌。SiO2薄膜和IGZO基EDLTs器件的电学特性选用电学测试系统（Agilent B2902A和Keysight E4980A LCR meter）测试。

2 结果分析与讨论

图1(a)显示磁控溅射沉积SiO2薄膜的AFM图，分析显示其均方根（RMS）表面粗糙度为1.78nm。图1(b)显示热氧化SiO2薄膜表面的AFM图，其RMS粗糙度为0.26nm。结果表明，磁控溅射沉积SiO2薄膜RMS粗糙度比热氧化SiO2大的多。图1(c)所示为磁控溅射沉积SiO2截面的SEM图，图中显示SiO2厚度约为150nm，形貌呈现出多孔结构，该多孔结构有助于吸收水分，促进H+在SiO2薄膜中的移动。薄膜呈现出的多孔结构，可能是由于在溅射过程中，低功率和大的气体流量导致溅射粒子没有足够的能量自组装形成致密的薄膜。

图1 (a)磁控溅射SiO2薄膜 (b)热氧化SiO2薄膜表面的AFM图 (c)溅射SiO2薄膜横截面的SEM图

为了测试溅射多孔SiO2薄膜的电学特性，制备了Ti/溅射SiO2/Si结构如图2(a)插图所示。图2(a)中黑色线所示为电容-频率特性，结果显示在频率为100Hz时，电容为0.2μF/cm2，且电容随着频率增大而逐渐减小。低频时大电容主要是由于多孔SiO2薄膜吸附的H2O被电离成H+和OH-，在电场的作用下，移动到界面处，形成双电层，表现出大电容特性。随着频率增大，电容减小，主要是受质子移动速度的影响。图2(a)中蓝色曲线所示为相位角-频率特性曲线，结果显示：当f<3×105Hz时，相位角<-45o，显示出电容特性；当f>3×105Hz时，相位角>-45o，显示出电阻特性，主要是由于频率太高，H+来不及移动，无法形成双电层电容。图2(b)所示为溅射SiO2薄膜的击穿特性曲线，薄膜表现出一个软击穿特性，在电压约为45V时，薄膜被击穿，原因尚不清楚。

图2 磁控溅射SiO2薄膜的电容-频率特性和相位角-频率特性(a)和溅射SiO2薄膜的击穿特性(b)

图3(a)所示为底栅顶接触IGZO基EDLT的结构示意图。图3(b)为IGZO基EDLT的转移特性曲线图，其源漏电压为3V，栅压扫描范围为-3V～3V，器件开关比～5×104。同时，图3(b)表现出一个逆时针的滞回曲线，主要是由于多孔SiO2介质层中离子移动造成的。图3(c)为IGZO基EDLT的输出特性曲线，结果表明，在Vgs<1V的操作电压下，器件达到饱和电流，这主要是由于大的双电层电容具有较强的栅极调控作用。

图3 IGZO基EDLT的器件结构图(a)、转移(b)、和输出(c)特性曲线图

3 结论

本文通过工业兼容的射频磁控溅射技术成功沉积了多孔SiO2固态电解质薄膜材料，并且以多孔SiO2薄膜为介质层制备了IGZO基EDLTs。多孔SiO2薄膜可以形成大的双电层电容，具有较强的栅极调控作用。因此，IGZO基EDLTs表现出一个较好的电学特性，其可以在<1V的操作电压下工作，并且表现出一个可以接受的开关比。