鋁摻雜氧化鋅薄膜晶體管研究發(fā)展現(xiàn)狀

王 冶 李東茂 王 超*

（吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林 長春130022）

金屬氧化物薄膜晶體管因其優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性能而備受關(guān)注，比起傳統(tǒng)的硅薄膜晶體管，它們具有更強(qiáng)的競爭力。大量關(guān)于金屬氧化物薄膜晶體管的研究是基于氧化鋅（ZnO）的，其中，lGZO-TFT 由于其優(yōu)越的性能成為了最常用的材料，不過其可靠性仍然值得商榷，尤其是銦（In）元素的高成本與高毒性。為了解決上述問題，需要繼續(xù)尋找新的材料。而鋁（Al）由于儲(chǔ)量豐富并且無毒環(huán)保走進(jìn)人們的視線，實(shí)現(xiàn)有效鋁摻雜后，AZO-TFT 具有優(yōu)良的性能。

下面就近年來不同方法制備AZO-TFT 有源層的研究進(jìn)行綜述。

1 射頻磁控濺射

射頻磁控濺射法由于其穩(wěn)定性好，薄膜重復(fù)性和均勻性好等優(yōu)點(diǎn)，成為制備氧化物半導(dǎo)體層的重要方法[1]。2013 年，Jian Cai 等[2]在玻璃襯底上成功制備高性能頂柵結(jié)構(gòu)AZO-TFT，所有的工藝溫度均低于100℃，以氧化銦錫（ITO）作柵極與源漏電極，150 nm 厚的二氧化硅（SiO2）作絕緣層，室溫下濺射沉積100nm 厚的AZO 作有源層。當(dāng)VG=-2～5V 時(shí)，該器件顯示出優(yōu)良的性能，其飽和遷移率達(dá)到285cm2/V.s，場效應(yīng)遷移率143cm2/V.s，閾值電壓為0.9V，亞閾值擺幅0.11V/decade，開關(guān)比達(dá)到2×109并且擁有82.5%的高透過率, 其優(yōu)良的性能足以媲美IGZO-TFT 器件。

Dedong Han 等[3]于室溫下通過射頻磁控濺射在柔性聚酯塑料襯底上制備了100nm 厚度的AZO 薄膜有源層并制成器件，該器件以Al 作為柵極與源漏電極，150nm 厚的SiO2 薄膜作絕緣層，并顯示出n 溝道器件特性，閾值電壓1.3V，開關(guān)比2.7×107，場效應(yīng)遷移率達(dá)到了21.3cm2/V.s，亞閾值擺幅0.23 V/decade，室溫下關(guān)斷電流小于10-12A，獲得了高性能的柔性基底薄膜晶體管。

Dongfang Shan 等[4]提出了室溫下制備全透明反轉(zhuǎn)堆疊式AZO-TFT 的方法，以150nm 厚的SiO2作絕緣層，ITO 作柵極和源漏電極, 在室溫下于玻璃襯底上濺射厚度50nm 的AZO 有源層并制成器件，遷移率為59.3cm2/V.s，開關(guān)比達(dá)到2.7×108，亞閾值擺幅0.12V/decade，并花費(fèi)了六個(gè)月時(shí)間研究器件的穩(wěn)定性并證明了其穩(wěn)定性，對器件進(jìn)行磁滯回線掃描發(fā)現(xiàn)其幾乎沒有磁滯現(xiàn)象。2014 年，Junchen Dong 等[5]通過在AZO 有源層中摻入稀土元素釓（Gd），制成底柵頂接觸結(jié)構(gòu)的Gd-AZO 薄膜晶體管，該器件以2 英寸玻璃為襯底，130nm 厚度的ITO 作柵極，150nm 厚的SiO2作絕緣層，130nm 厚度的ITO 作源漏電極。該器件實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的負(fù)偏壓穩(wěn)定性和透過率，飽和遷移率238cm2/V.s，開關(guān)比6.08×108，閾值電壓1.92V，亞閾值擺幅0.16 V/decade，作者認(rèn)為通過向AZO 摻雜稀土元素可以用于未來的顯示工業(yè)。

Dedong Han 等[6]對比了頂柵型與底柵型AZO-TFT 的電學(xué)特性，器件皆以柔性聚酯塑料作襯底，100nm 厚度的SiO2作絕緣層，100nm 厚度的ITO 作柵極與源漏電極，100nm 厚度的AZO作有源層。結(jié)果顯示，頂柵型AZO-TFT 閾值電壓為1.4V，開關(guān)比為1.0×107，場效應(yīng)遷移率28.2cm2/V.s，亞閾值擺幅0.19V/decade，而底柵型AZO-TFT 閾值電壓為1.7V，開關(guān)比1.0×107，場效應(yīng)遷移率209cm2/V.s，亞閾值擺幅0.16 V/decade。

兩種薄膜晶體管都表現(xiàn)出低閾值電壓、高離子/離子遷移率和高場效應(yīng)遷移率的特性。相比之下，底柵型AZO 薄膜晶體管表現(xiàn)出更好的特性。2017 年，Wen Yu 等[7]提出以鋁封頂?shù)男问綄Φ讝判偷腁ZO-TFT 進(jìn)行增強(qiáng)。器件以玻璃作襯底，100nm厚的ITO 作柵極，107nm 厚的SiO2作絕緣層，75nm 厚的ITO 作源漏電極，使用陶瓷靶濺射30nm 厚的AZO 作為有源層。著重研究了鋁覆蓋層厚度和后退火條件對薄膜晶體管性能的影響。

結(jié)果表明，在背溝道上引入鋁覆蓋層可以顯著提高AZO 薄膜晶體管的性能，飽和遷移率顯著地從0.128cm2/V.s 增加到12.6cm2/V.s。這種增強(qiáng)歸因于鋁原子擴(kuò)散到AZO 薄膜中，從而導(dǎo)致結(jié)晶質(zhì)量改善。

作者認(rèn)為該工藝可以延伸至其他氧化物薄膜晶體管。2019年，Xiaobin Zhou 等[8]采用射頻磁控濺射技術(shù)，在不同功率（70W、100W、150W 和200W)下，在玻璃襯底上制備了底柵結(jié)構(gòu)的高性能AZO-TFT，器件以100nm 厚的鉬（Mo）作柵極，100nm厚的SiO2作絕緣層，使用射頻磁控濺射在室溫下制備30nm 厚的AZO 作為有源層，100nm 厚的ITO 作源漏電極。在所有的器件中，以70W 功率濺射的AZO 為有源層所制備的AZO-TFT 表現(xiàn)出優(yōu)異的特性，飽和特性遷移率為13.167cm2/V.s，亞閾值擺幅

為0.13mV/decade，開關(guān)比為1.63×109。此外，在70 W 功率下制備的器件還顯示出良好的輸出特性、高均勻性和優(yōu)異的偏置應(yīng)力穩(wěn)定性。閾值電壓偏移在正/ 負(fù)柵極應(yīng)力下分別為0.7V/0.8V。

2 原子層沉積（ALD）

近年來，ALD 工藝由于其精確的厚度控制以及該工藝在三維結(jié)構(gòu)上優(yōu)異的一致性與均勻性引起人們的關(guān)注[9]。2016 年，Won-Ho Lee 等[10]提出一種可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)薄膜晶體管與電阻變化存儲(chǔ)器（RCM）功能的器件，該器件以玻璃片作襯底，將150nm厚的ITO 層圖案化到底部柵極中。使用三甲基鋁（TMA）和水蒸氣分別作為鋁和氧源，通過ALD 在150℃下沉積100nm 厚的Al2O3層作為底部絕緣層。通過用磷酸去除給定區(qū)域來打開接觸孔。這些接觸孔具有在每個(gè)電極和相應(yīng)的測試焊盤之間形成電連接的作用。

在打開金屬接觸之后，通過室溫下的直流濺射沉積厚度為150nm 的ITO 作為源漏電極。在圖案化源漏電極之后，由ALD沉積了20nm 厚的AZO 薄膜，其中二乙基鋅（DEZ）和TMA 分別用作鋅和鋁前體，并且提供水蒸氣作為反應(yīng)物。襯底溫度固定在100℃。通過控制DEZ 和TMA 的循環(huán)數(shù)比為19∶1 來確定AZO 膜的組成。然后由ALD 在150℃沉積9nm 厚的Al2O3層作為保護(hù)層,并最終將Al2O3保護(hù)層厚度確定在9nm。最后，通過鋁的熱蒸發(fā)和剝離圖案化形成頂部電極和源漏電極焊盤。該器件在實(shí)現(xiàn)薄膜晶體管功能時(shí)，具有良好的性能，其場效應(yīng)遷移率為0.07cm2/V.s，亞閾值擺幅為0.69 V/decade，閾值電壓為1.9 V。作者認(rèn)為該RCM-TFT 器件有希望作用于多功能大面積電子產(chǎn)品中。Eom-Ji Kim 等[11]提出了一種控制閾值電壓的方法，該方法通過調(diào)整薄膜晶體管的AZO 有源溝道內(nèi)的鋁摻雜層的位置來實(shí)現(xiàn)。

在ALD 過程中，通過在總共50 個(gè)循環(huán)中的第13、19、38 和44 個(gè)循環(huán)中插入鋁循環(huán)序列來控制鋁摻雜劑層的位置。采用ALD 于玻璃襯底上制備了AZO-TFT。AZO 的沉積溫度被設(shè)定為100℃,并且引入的Al 的量被設(shè)定為2%。DEZ、TMA 和H2O 分別被選為Zn、Al 和O2源。在150℃下沉積9nm 厚的Al2O3作為保護(hù)層，在圖案化AZO 有源層溝道區(qū)域后，150℃下沉積100nm 厚的Al2O3作為絕緣層。并且通過濕法化學(xué)蝕刻穿過Al2O3絕緣層打開接觸孔，同時(shí)柵極和源漏電極是通過濺射法沉積ITO 薄膜形成的。最終研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整TMA 序列的晶體管，摻入Al層的位置對薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)結(jié)晶度和溫度依賴性電導(dǎo)率變化沒有明顯影響。而當(dāng)Al 摻雜劑層結(jié)合在不同位置時(shí)，制備的頂柵AZO-TFTs 的閾值電壓發(fā)生了顯著的變化。

2017 年，Jun-Kyo Jeong 等[12]采用原子層沉積法制備了不同鋁濃度的鋁摻雜氧化鋅薄膜，以確定鋁摻雜對雙疊層有源層薄膜晶體管的影響。在該研究中，由ALD 形成100nm 厚的AZO 薄膜，其中TMA 和DEZ 在100℃下交替注入。去離子H2O 和氮?dú)庥米鞔祾邭怏w。脈沖時(shí)間和吹掃時(shí)間分別為0.5 和10 秒。調(diào)節(jié)DEZ 和TMA 的循環(huán)比，以將AZO 中的鋁的量控制在4∶1 至49∶1。熱生長120nm 厚的SiO2 電介質(zhì)層作為絕緣層。之后，由ALD 分別在100℃和80℃沉積AZO/ZnO 層作為有源層。AZO 層的厚度為10nm，ZnO 層的厚度為50nm。作為參考器件，ALD 還沉積了60nm 厚的ZnO 層。通過射頻磁控濺射沉積鈦（Ti）來進(jìn)行源漏電極接觸，并通過剝離工藝形成圖案。通過射頻磁控濺射在硅晶片的背面沉積鋁電極進(jìn)行背柵接觸。所有制造的器件在N2和O2氛圍下在250℃的管式爐中退火1 小時(shí)。研究表明，最佳鋁摻雜濃度約為2%。制備的具有AZO（2%）/ZnO 雙疊層有源層的薄膜晶體管在O2氛圍下退火后，閾值電壓0.61V，亞閾值擺幅0.42V/decade，場效應(yīng)遷移率1.013cm2/V.s，開關(guān)比4.04×107。

3 溶液法

在諸多薄膜生長技術(shù)中，溶液法由于其制備工藝簡單，生產(chǎn)成本低，可實(shí)現(xiàn)大面積生產(chǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景[13]。2017 年，Darragh Buckley 等[14]為了制備5 摩爾百分?jǐn)?shù)（mol%）鋁的AZO膜，通過將0.1407 克九水合硝酸鋁[Al（NO3）3.9H2O]溶解在10 毫升二甲氧基乙醇中來制備鋁溶液。將該溶液加入到0.75 摩爾（mol）乙酸鋅溶液中，并在60℃攪拌2 小時(shí)。所有薄膜樣品都沉積在尺寸為2cm×2cm 的p 型硅片上。在沉積之前，通過在丙酮、異丙醇和去離子水中的超聲波處理來清潔基材，然后使用掃描紫外線臭氧系統(tǒng)進(jìn)行30 分鐘的紫外線臭氧處理。使用臺(tái)式旋轉(zhuǎn)涂布機(jī)從液體前體沉積薄膜。將適當(dāng)?shù)娜芤旱渭拥交咨?，并?000 轉(zhuǎn)每分鐘（r/min）的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)30 秒，包括5 秒的斜坡時(shí)間。

隨后，樣品在露天對流烘箱中于250～270℃之間干燥5 分鐘。在樣品在300℃進(jìn)行1 小時(shí)的最終退火處理之前，該沉積過程可以根據(jù)需要重復(fù)多次。這項(xiàng)工作最終展示了一種確定金屬氧化物的光學(xué)厚度和定向反射率的方法。Venkateshwarlu Sarangi 與Srinivas Gandla[15]使用溶液法成功制備底柵頂接觸型AZO-TFT。他們首先將六水合硝酸鋅（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。將Zn（HNO3）2.6H2O 和Al（NO3）3.9H2O 溶液老化12 小時(shí)，使金屬硝酸鹽完全溶解在各自的溶劑中。燃燒前體溶液與Al（NO3）3.9H2O 溶液的摩爾百分?jǐn)?shù)變化（3%、5%、7%和9%）混合。最后，在薄膜流延之前，將純ZnO 和不同摩爾濃度的AZO 溶液在熱板上在磁力攪拌加熱至60℃并持續(xù)1 小時(shí)。在硅片上制作薄膜晶體管。熱生長的SiO2用作硅襯底上的絕緣層。然后，在該SiO2層的頂部，以3000r/min 的轉(zhuǎn)速，在SiO2/Si 襯底上旋轉(zhuǎn)涂覆純ZnO 和AZO 燃燒前體30 秒。薄膜在150℃下預(yù)熱5 分鐘，蒸發(fā)掉殘留的溶劑，重復(fù)該過程，直到獲得所需的厚度。樣品在250℃退火1 小時(shí)。退火溫度保持1 小時(shí)，然后在環(huán)境中緩慢降至室溫。最后，使用熱蒸發(fā)法制備溝道長度為100微米（μm）、寬度為600μm 的Al 用于源漏接觸。最終發(fā)現(xiàn)溶液摩爾百分?jǐn)?shù)為7%時(shí)該器件性能最優(yōu)，場效應(yīng)遷移率1.2cm2/V.s，閾值電壓17V，亞閾值擺幅4.5V/decade，開關(guān)比達(dá)到106。

4 熱蒸發(fā)法

熱蒸發(fā)法具有設(shè)備易操作，成膜效率高，速率快等優(yōu)點(diǎn)[16]。2010 年，Hsin-Chiang You 與Shiang-Jun Zhang[17]提出在硅襯底上使用熱蒸發(fā)法制備AZO-TFT。他們用RCA 清潔劑處理p 型晶片以去除表面顆粒和金屬離子污染物。

接下來，在高溫水平爐中通過濕式氧化生長100nm 厚的SiO2作柵極。在使用反應(yīng)離子蝕刻（RIE）去除背面100nm 厚的SiO2之后，接著進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清潔以防止表面污染。然后，通過使用顆粒和熱蒸發(fā)工藝形成10nm 厚的AZO 有源層。最后，通過熱蒸發(fā)法形成最終的底部Al 柵極，然后沉積頂部的Al 源極和漏極。不過原子力顯微鏡分析表明，AZO 薄膜表面粗糙度質(zhì)量不是很好。如果將其用作有源層，可能會(huì)影響載流子運(yùn)動(dòng)，作者認(rèn)為原因可能是熱蒸發(fā)法沉積速度過快或者真空度不夠。不過作者認(rèn)為控制沉積速度或者提升真空度后，熱蒸發(fā)法制備AZO-TFT 是可行的。

5 結(jié)論

很顯然，目前射頻磁控濺射制備AZO-TFT 有源層的工藝已然十分成熟，其制備的器件性能優(yōu)良，但其也有生長速率慢，存在射頻輻射等局限性。而ALD 等其他工藝仍在發(fā)展階段，關(guān)于溶液法或者真空蒸發(fā)鍍膜法的報(bào)道依然是少數(shù)，并且其制備的器件性能明顯劣于射頻磁控濺射法制備的AZO-TFT。AZO-TFT 具有廣闊的發(fā)展前景，有理由相信，未來關(guān)于AZO-TFT 的研究將會(huì)繼續(xù)增加，而制備有源層的工藝也將更加完善與多樣。