鎵摻雜對(duì)氧化鋅薄膜晶體管性能的影響

高悍津，高曉紅，孫玉軒，王森，張子博，楊晨

（吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春，130000）

0 引言

氧化鋅（ZnO）作為現(xiàn)階段最受歡迎的薄膜晶體管(Thin Film Transistor, TFT)有源層材料，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如成份簡(jiǎn)單，帶隙寬，低溫生長(zhǎng)，均勻性好，價(jià)格低，綠色環(huán)保，儲(chǔ)量豐富等[1]。通過研究發(fā)現(xiàn)對(duì)氧化鋅摻雜合適的金屬離子，可以改善薄膜質(zhì)量，提高器件性能。例如，Ravi Kant等人選擇鋁（Al）和錳（Mn）[2]，X. Ding等人選擇鎂（Mg）[3]，L Xu等人選擇鉿（Hf）[4]分別作為氧化鋅的摻雜元素，以及選擇氧化鋅中摻雜銅（Cu）、錳（Mn）、釔（Y）等元素中的楊功勝[5]周佩佩[6]，選擇銦-鎵（In-Ga）、銦-鋁（In-Al）共摻雜的張杰[7]等制備出的摻雜氧化鋅器件在薄膜質(zhì)量和電學(xué)性能上與純氧化鋅相比均有所提高。

本文選擇鎵（Ga）作為氧化鋅的摻雜元素，可以實(shí)現(xiàn)利用金屬離子特性抑制純ZnO-TFT有源層中氧空位等本征缺陷提升薄膜質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)載流子調(diào)控[8]。Ga-O鍵和Zn-O鍵的鍵長(zhǎng)分別為1.92 ?、1.97 ?，非常接近，即使在摻雜濃度很高的情況下晶格畸變也比較小。同時(shí)，鋅離子被作為雜質(zhì)的鎵離子取代，室溫下會(huì)在導(dǎo)帶中釋放一個(gè)自由電子，可以有效的提高器件的電導(dǎo)率，提高器件性能。綜上，本文選擇鎵作為氧化鋅的摻雜元素來制備氧化鋅摻雜鎵薄膜晶體管。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)Kurt J.Lesker公司生產(chǎn)的PVD75型磁控濺射設(shè)備，在室溫下沉積GnZnO (GZO)薄膜，使用表層有厚度為100nm SiO2絕緣層的p型Si襯底作為基片。將基片打磨漏出柵極后，分別使用丙酮、無水乙醇、超純水進(jìn)行超聲清洗，除去表面雜質(zhì)。將基片置于磁控濺射設(shè)備腔室中室溫沉積GZO薄膜，沉積條件見表1。沉積完成后采用濕法光刻進(jìn)行有源層圖案化。最后采用亮杰公司生產(chǎn)的EB-420型電子束蒸發(fā)設(shè)備蒸鍍50nm厚度的鋁作為器件的源、漏電極。利用光刻—?jiǎng)冸x技術(shù)對(duì)電極進(jìn)行剝離。圖1為GZO-TFT器件結(jié)構(gòu)示意圖，溝道長(zhǎng)度、寬度分別為10mμ、300mμ。

表1 GZO薄膜沉積條件

圖1 GZO-TFT器件結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)果與分析

■ 2.1 表面形貌分析

為了了解薄膜表面形貌，我們使用了英國(guó)Oxford公司生產(chǎn)的MFP-3D型原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope,AFM)和日本電子株式會(huì)社（JEOL）生產(chǎn)的JSM-7610F型掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)，觀 測(cè) 了ZnO、GZO薄膜的表面形貌。圖2(a)、圖2(b)分別是ZnO和GZO薄膜的原子力顯微鏡(AFM)圖像，薄膜表面粗糙度分別為 941.248pm、605.588pm。與ZnO薄膜相比，GZO薄膜的表面形貌較為平整，表面粗糙度更低。由此可見，鎵的摻雜能夠改善ZnO薄膜的表面粗糙度。

圖2

圖3(a)、圖3(b)分別是使用掃描電子顯微鏡觀測(cè)到的放大5萬倍的ZnO和GZO薄膜的表面形貌圖。與ZnO薄膜相比，GZO薄膜晶粒更為均勻、致密，沒有針孔、裂紋以及團(tuán)簇現(xiàn)象的發(fā)生，薄膜質(zhì)量有所改善。圖4(a)、圖4(b)是薄膜剖面圖，標(biāo)尺為100nm，測(cè)得薄膜厚度分別為36.5nm和33.7nm，呈柱狀生長(zhǎng)。

圖4

■ 2.2 TFT器件分析

使用 Keysight公司生產(chǎn)的B1500A半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測(cè)試GZO-TFT的電學(xué)性能。圖5(a)、圖6(a)是GZO-TFT以及ZnO-TFT的輸出特性曲線，從圖中可以看出此器件為n溝道增強(qiáng)型器件，具有良好的飽和特性。意味著柵極電壓(VGS)能夠很好地控制源漏電流(IDS)，即當(dāng)VGS固定時(shí)，隨著VDS增加，IDS逐漸趨于飽和，且IDS大小于VDS無關(guān)，只于VGS大小相關(guān)。飽和特性是晶體管的必要性質(zhì)。同時(shí)，相比于ZnO薄膜晶體管，鎵摻雜的ZnO薄膜晶體管的飽和電流有所提升。器件的開啟電壓大概出現(xiàn)在VGS=-15V，VGS=1V時(shí)。通過器件輸出曲線也可以看出，在源漏電壓較低時(shí)，也并未發(fā)現(xiàn)電流擁擠效應(yīng)，表明器件中有源層和鋁電極形成了良好的歐姆接觸[5,6]。

圖6

圖5(b)、圖6(b)是GZO-TFT以及ZnO-TFT在一定的源漏電壓（VDS=15V）下測(cè)得的轉(zhuǎn)移特性曲線以及VGS-VGS1/2曲線，此時(shí)TFT工作在飽和區(qū)。源漏電壓固定在15V，隨著VGS從-20V增大到40V，器件逐漸從關(guān)態(tài)到達(dá)開態(tài)。從圖中看出，器件的關(guān)態(tài)電流都在10-10A數(shù)量級(jí)左右，閾值電壓分別為6.0V、18.2V，亞閾值擺幅分別為2.91V·dec-1、3.56V·dec-1，開關(guān)電流比分別為1.04×106、2.73×105，遷移率分別為3.14cm2·V-1s-1、1.12cm2·V-1s-1。其電學(xué)性能參數(shù)見表2。

表2 TFTs電學(xué)性能參數(shù)

GZO-TFT的飽和遷移率（satμ）由式（1）確定：

式中 μsat單位是 cm2· V-1s-1， Ci是單位面積柵絕緣層電容，W是器件溝道寬度，L是器件溝道長(zhǎng)度，式（2）中k是IDS1/2-VGS線中對(duì)應(yīng)的斜率[9]。亞閾值擺幅SS的計(jì)算公式由式（3）確定，是分析缺陷態(tài)密度的一個(gè)重要參數(shù)：

亞閾值擺幅單位是V·dec-1，表示IDS提升一個(gè)數(shù)量級(jí)VGS的變化量[1]。亞閾值擺幅與界面態(tài)陷阱密度（Nit）有關(guān)，界面態(tài)陷阱密度（Nit）由式（4）確定：

式中Nit單位是cm-2eV-1在，q是電子電荷，kB是玻爾茲曼常數(shù)，T是測(cè)量溫度[1]。

3 結(jié)論

通過磁控濺射設(shè)備沉積純ZnO薄膜以及GZO薄膜，并成功制備出了GZO薄膜晶體管，使用AFM和SEM表征了純ZnO薄膜和GZO薄膜，觀測(cè)了其表面形貌、粗糙度以及剖面圖。通過比較得出，相比于純ZnO薄膜，氧化鋅摻雜鎵（Ga）之后的薄膜表面形貌較為平整，粗糙度較低，薄膜表面晶粒致密，結(jié)膜質(zhì)量有所改善。同時(shí)，氧化鋅摻雜鎵（Ga）作為有源層，對(duì)器件的各方面性能參數(shù)也有所改善，如開關(guān)電流比提高、亞閾值擺幅減小、載流子遷移率提高等。