（微电子学与固体电子学专业论文）全透明ingazno4薄膜晶体管.pdf

伞透明i n g a z n o 。薄膜晶体管 摘要 近年来，由于透明薄膜晶体管具有高迁移率( 大于1 0c m 2 v s ) 、低温工艺、 能大面积生产、低成本等优点，已经引起了广泛的研究兴趣。而在这众多的透明 氧化物半导体中，i n g a z n 0 4 因为作为沟道层而具有非常平整的结构、光滑的表面、 即使在室温下沉积的非晶薄膜也具有较高的迁移率( 大于1 0c m 2 v s ) 而受到广泛 的关注。 本文中，我们在玻璃衬底上室温条件下制备了透明i n g a z n 0 4 沟道薄膜晶体 管。首先，在玻璃衬底上采用射频磁控溅射法沉积1 5 0 n m 的氧化铟锡( i t o ) 作 为栅级。然后，利用等离子增强化学气相沉积法( 以硅烷和氧气为原料气体) 沉 积4 p m 的二氧化硅作为栅介质。其次，用射频磁控溅射法沉积5 0 n m 的i n g a z n 0 4 薄膜作为沟道。最后，采用直流溅射法沉积2 0 0 n m 的i t o 作为源漏电极。所有的 镀膜工艺均是在室温下。沟道和源漏电极的图案成型是通过镍掩膜板。晶体管的 长度和宽度分别是8 0 x m 和1 0 0 0 p m 。器件的电学特性通过k e i t h l e y4 2 0 0 半导体 参数分析仪在室温黑暗环境下测试。i n g a z n 0 4 栅介质的电容频率特性通过 a g i l e n t4 2 9 4 a 阻抗分析仪基于i t o s i 0 2 a 1 三明治测试结构。薄膜晶体管的透光 率用7 5 4 p c 紫外可见光光度计在可见光波长范围2 0 0 到1 0 0 0 n m 内完成测试。测 试结果表明：栅介质的单位面积电容为1 6i t f c m 2 ，场效应迁移率、亚阈值摆幅、 开关比分别为4 0 6 e m 2 v 。1 s 、1 0 3 m v d e c a d e 、2 1 1 0 6 ，同时，器件的工作电压仅 为1 5 v 。器件在可见光波长范围( 4 0 0 7 0 0n m ) l 为的透光率约为8 0 ，表明我们制 备的i n g a z n 0 4 沟道薄膜晶体管是全透明的晶体管。 上述结果表明，我们采用室温工艺研制的全透明i n g a z n 0 4 薄膜晶体管在下一 代高性能低功耗、透明电子学领域具有潜在应用价值。 关键词：薄膜晶体管；透明电子学；氧化物半导体；i n g a z n 0 4 ；射频磁控溅射； 等离子增强化学气相沉积 i i 硕十学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y ，t r a n s p a r e n to x i d e b a s e dt h i n - f i l mt r a n s i s t o r s ( t f t s ) h a v ea t t r a c t e d m u c ha t t e n t i o nb e c a u s eo ft h e i rh i g he l e c t r o nm o b i l i t i e s ( l0c m 2 v s ) a n db e c a u s e t h e yc a nb ep r o c e s s e da tl o wt e m p e r a t u r e st op r o d u c el a r g e a r e ad i s p l a y sw i t ht h e p o t e n t i a lo fl o wp r o d u c t i o nc o s t s a m o n gv a r i o u st r a n s p a r e n to x i d es e m i c o n d u c t o r s ， i n g a z n 0 4i sp r e f e r r e da sac h a n n e ll a y e ro ft f t sd u et oi t su n i f o r ms t r u c t u r e ，s m o o t h s u r f a c e ，a n dh i g he l e c t r o nm o b i l i t y ( 10c m 2 v s ) e v e nf o ra na m o r p h o u sf i l m d e p o s i t e da tr o o mt e m p e r a t u r e i nt h i sp a p e r ，w ef a b r i c a t e dt r a n s p a r e n ti n g a z n 0 4t f t so nag l a s ss u b s t r a t ea t r o o mt e m p e r a t u r e f i r s to fa l l ，15 0 a m - t h i c ki n d i u mt i n o x i d e ( i t o ) f i l mw a s d e p o s i t e do ng l a s ss u b s t r a t eb yr a d i o - f r e q u e n c ym a g n e t r o ns p u t t e r i n ga n du s e da st h e c o m m o ng a t ee l e c t r o d e n e x t ，a4 p m t h i c ks i 0 2g a t ed i e l e c t r i cl a y e rw a sd e p o s i t e d o n t ot h ei t ob yp l a s m a - e n h a n c e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o nu s i n gs i l l 4a n d0 2a s r e a c t i v eg a s e sa tr o o mt e m p e r a t u r e t h e n ，a5 0 一a m t h i c ki n g a z n 0 4a c t i v el a y e rw a s d e p o s i t e db yr a d i o - f r e q u e n c ym a g n e t r o ns p u t t e r i n ga tr o o mt e m p e r a t u r e f i n a l l y ，t h e i t os o u r c e d r a i ne l e c t r o d e sw e r e d e p o s i t e db yd i r e c t c u r r e n ts p u t t e r i n gw i t ha t h i c k n e s so f2 0 0n m t h ee n t i r ep r o c e s so fd e v i c ef a b r i c a t i o nw a sp e r f o r m e da tr o o m t e m p e r a t u r e a l lo ft h ea c t i v ec h a n n e la n ds o u r c e d r a i ne l e c t r o d e sw e r ep a t t e r n e d u s i n gn i c k e ls h a d o wm a s k s t h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a n s i s t o r sw e r e m e a s u r e dw i t hak e i t h l e y4 2 0 0s e m i c o n d u c t o r p a r a m e t e ra n a l y z e r a tar o o m t e m p e r a t u r ei nt h ed a r k m e a s u r e m e n t sw e r em a d eo nt r a n s i s t o r sw i t hac h a n n e ll e n g t h o f8 0 “ma n daw i d t ho f10 0 0 “m t h ed i e l e c t r i cc a p a c i t a n c eo fi n g a z n 0 4t f t sw e r e p e r f o r m e db yt h ec a p a c i t a n c e f r e q u e n c y ( c - f ) m e a s u r e m e n tu s i n ga na g i l e n t4 2 9 4 a p r e c i s i o ni m p e d a n c ea n a l y z e r ，w h i c hw a sb a s e d o na ni t o s i 0 2 a is a n d w i c ht e s t s t r u c t u r e t h e o p t i c a l t r a n s m i s s i o nm e a s u r e m e n tw a s p e r f o r m e db y u v v i s s p e c t r o p h o t o m e t e r i nt h e w a v e l e n g t hr a n g e b e t w e e n2 0 0a n d10 0 0n m t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w st h a tt h eu n i t - a r e ac a p a c i t a n c ew a s1 6t a f c m z ，w h i l et h e f i e l d - e f f e c t m o b i l i t y ，s u b t h r e s h o l ds w i n ga n d o n o f fr a t i ow e r e4 0 6 c m 2 v ls ， 10 3 m v d e c a d e ，2 1x10 0 ，r e s p e c t i v e l y t h ed e v i c eo p e r a t i n gv o l t a g ei so n l y1 5 v t h e a v e r a g et r a n s m i t t a n c ei nt h ev i s i b l ep o r t i o no ft h ee l e c t r o m a g n e t i cs p e c t r u m ( 4 0 0 7 0 0 n m ) i s - 8 0 ，i n d i c a t i n gt h et f t sa r ef u l l yt r a n s p a r e n tt ov i s i b l el i g h t f u l l y - t r a n s p a r e n tr o o m t e m p e r a t u r e - f a b r i c a t e di n g a z n 0 4t f t s a r e v e r y p r o m i s i n gf o rn e x tg e n e r a t i o nd i s p l a yt e c h n o l o g i e sb a s e do nt r a n s p a r e n td i s p l a y sa n d 伞透明l n g a z n 0 4 薄膜品体管 f l e x i b l ed i s p l a y s k e yw o r d s ：t h i nf i l mt r a n s i s t o r s ；t r a n s p a r e n te l e c t r o n i c s ；o x i d es e m i c o n d u c t o r s ； i n g a z n 0 4 ；r a d i o - f r e q u e n c ym a g n e t r o ns p u t t e r i n g ；p l a s m a e n h a n c e d c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n i v 顾士学位论文 第1 章绪论 薄膜晶体管( t f t ) i 拘发展主要体现在器件结构、新型材料、制造工艺等方面的 创新上。 1 1 。薄膜晶体管的基本概念及理论 1 1 1 薄膜晶体管的器件结构 薄膜晶体管是在绝缘衬底材料上采用各种沉积方法沉积若干层薄膜，并通过 刻蚀、光刻、掩模等技术制作而成。薄膜晶体管的结构和传统的m o s 管的结构类似， 具有源极、漏极、栅极和沟道层。目前，根据文献报道主要分为四种基本的器件 结构，如图1 1 所示。 啊s u b s t r a t e 誓盈c o n t a c t si s o u r c e f d r a i na n dg a t e ) c d i el e c t r i c 豳s e m i c o n d u c t o r 管雷i i 宙一一鞠豳豳一豳豳 b o s o mg a t e t o pc o n t a c t b o t t o mg a t e & t o p gate&topg a t e & b o s o mc o n t a c tb o t t o mc o n t a c t t o pc o n t a c t 图1 1 薄膜晶体管常见的四种器件结构( 自左向右) ：( a ) 底栅顶接触；( b ) 底栅底接触； ( c ) 顶栅底接触：( d ) 顶栅顶接触 1 1 2 薄膜晶体管的器件结构 由于薄膜晶体管的i v 特性和理想的金属氧化物半导体场效应管 ( m o s f e t ) 的v 特性类似，所以我们借鉴m o s f e t 的i v 特性的推导过程来 说明薄膜晶体管的电流电压特性。 首先，分析一个载有电流，的半导体棒，如图1 2 ( a ) 。如果沿电流方向的 电荷密度是仍( c m ) ，电荷移动速度是y ( m s ) ，那么 j = 幽y ( 1 1 ) 为了理解为什么如此，我们测量单位时间通过半导体截面的总电荷数。若电 荷速度为矿，则棒中距离截面v 米长度内的所有电荷在一秒内必须通过截面，如 全透明i n g a z n o 。薄膜晶体管 图1 2 ( b ) 所示。由于电荷密度是q j ，y 米内的总电荷数就是q a y 。 ( a ) v 一 ( b ) 图1 2 ( a ) 载有电流i 的半导体棒；( b ) 一秒间隔内载流子的运动图像 其次，考虑一个源漏都接地的m o s f e t 如图1 3 ( a ) 所示。反型层中的电荷密 度可以这样考虑：因为假设v o s = v t h 时开始反型，那么由栅氧化层电容引起的反 型电荷密度正比于v o s v t h 。当v o s v t h 时，栅电荷必定会被沟道电荷所镜像， 从而产生一个均匀的沟道电荷密度( 单位长度电荷) ，其值等于 魏= 晰c o x ( v o s 一所h )( 1 - 2 ) 式中，c o x 与形相乘表示单位长度的总电容。 ( a )( b ) 图1 3 ( a ) 源和漏等电压时的沟道电荷；( b ) 源和漏不等压时的沟道电荷 如图1 3 ( b ) ，假设漏极电压大于0 。由于沟道电势从源极的0 v 变化到漏极 的，所以栅与沟道之间的局部电压差从变化到。因此，沿沟道x 点处 的电荷密度可表示为 9 ( x ) = 助x ( v o s v ( x ) - 所h )( 1 - 3 ) 式中，以x ) 为x 点的沟道电势。 根据式( 1 1 ) ，电流由下式给出： ， i o = - w c o x ( v o s v ( x ) - 所h ) y( 1 - 4 ) 其中，负号是因为载流子电荷为负而引入的，濠示沟道电子的漂移速度。对于 半导体，v = a e 其中是载流子的迁移率，e 为电场。注意到e ( x ) = 一d v d x ，电子 迁移率用胁表示，我们得到 i t ) = 阡，c o x ( v c s 一坎x ) 一蜥h ) 胁d v d x( 1 5 ) 对应边界条件为坎o ) = 0 和v ( l ) = v d s 。虽然坎x ) 也很容易从上式得出，但是实际 上所关心的值是毛。上式两边都乘以d x 并积分，可得 硕i ：学位论文 l 易出= f 二w c o x , u v z s 一矿g ) 一p 矿 由于如沿沟道方向是常数，所以 厶= 以警弦k 互11 , 嬲2 如果v d s 7k s 一蜥h ，器件则工作在饱和区，式( 1 7 ) 变为 i d - - - - 护1 一。w 、e 傩一) 2 如果s s 一路h ，器件则工作在线性区，式( 1 - 7 ) 变为 厶；以c 矗孚( 吃二) 式( 1 7 1 和( 1 8 1 构成了薄膜晶体管的器件电学特性分析的理论基础。 ( 1 - 6 ) ( 1 - 为 ( 1 8 ) ( 1 9 ) 1 2 透明薄膜晶体管的研究概况 1 2 1 透明电子学的基本概念 由光学知道，一定波长z 的光照射物体时，一部分光被反射，一部分光被吸收， 部分光透过物体。吸收光强的变化规律为： i = i o e 堋 ( 1 1 0 ) 其中a 为物体的光吸收系数，j l d 为物体表面处的光强，x 为光在物体内经过的距 离。通常将口。a 关系曲线称为物体的吸收光谱。对半导体而言，材料吸收光的原 因在于光与处于各种状态的电子、晶格原子和杂志原子的相互作用，物体吸收光， 将改变物体的性能，从物体性能随光的变化可分析物体对光的吸收。 由于半导体的价带顶与导带底之间存在一定宽度的禁带，能带宽度为e g 。当 可见光波长范围内的光子能量小于e g 时，光子经过半导体薄膜时就不会发生光子 吸收，使半导体中的电子从价带激发跃迁到导带。这种情况下，薄膜便具有透明 的特性。由于可见光的波长范围在4 0 0 到7 0 0 n m ，所以只需要求半导体的禁带宽 度大于3 1 e v ，这种半导体薄膜便成透明薄膜。 1 2 2 透明电子学的起源 透明电子学的诞生可追溯到第一篇关于高导电p 型透明氧化物c u a l 0 2 的文献 报告中1 2 l 。1 9 9 7 年，日本人h i r o s h ik a w a z o e 及他的合作者在n a t u r e 杂志上阐述了 他们的工作：p 型导电氧化物c u a l 0 2 ，并进一步分析了其在其它领域的潜在应用价 值。 全透明l n g a z n o 。薄膜晶体管 在同一期i 拘n a t u r e 杂志上同样发表了一篇关- t c u a l 0 2 的文章。在这篇文章里， g o r d o nt h o m a s 对“透明电路做了进一步的讨论和展望，透明电路在可预见的 将来必定会导致很多新型的应用，而不仅仅只是用来做无源的透明导电电极【”。 表1 1 总结了历年来的p 型透明导电薄膜的发展【4 1 。 - a g m 0 2 ( m 2 7 0 ，一 般 3 0 。差 1 0 0 。 2 0 0 4 年，k w o n 等人指出t t f t 的发展首先要解决的问题便是将有源沟道的 载流子浓度减小【引。要达到这个目标，可以采用磷掺杂的z n o 9 m g o 1 0 作为沟道层。 这种策略主要是以两种方式减小沟道电子浓度。第一种，m g 和z n o 的合金可以 增加带隙宽度，可以明显减少施主浓度，或者是增加施主的激活能。第二，磷作 为受主能级替代氧原子的位置，能在沟道中补偿施主。利用脉冲激光法( p l d ) 沉 积5 0 n m 的z n o 9 m g o 1 0 ：p 作为沟道层，磁控溅射法沉积1 0 0 n m 厚的h f 0 2 绝缘层， 。 i t o 作为栅和源漏电极。k w o n 等人声称器件工作在增强型模式，场效应迁移率 为5 3 2c m 2 v o s 。但是，该t f t 具有很大的栅漏电流，他们对器件的电学性能评 估是值得怀疑的。 c o n v e n t i o n a lc h a n n e lm o b i l i t y p h y s i c a l l y - b a s e dc h a n n e lm o b i l i t 。 一爿剖一宏 一斟剜酬蕊叫嚣 表1 2 传统沟道迁移率( 场效应迁移率p f e 和有效迁移率p e f f ) 与h o f f m a n 提出的沟道迁移率( 增量迁移率p x n c 和平均迁移率i _ t a v a ) 。 2 0 0 4 年，h o f f m a n 在j a p 杂志上的发表的一篇在透明电子学历史上具有非常 重要地位的文章，他提出了一种全新的基于器件物理内涵的沟道迁移率计算方法， 监整屯 翌弘 全透明l n g a z n o 。薄膜晶体管 并通过实验数据阐明了z n ot f t s 的迁移率和栅电压的关系【l 。h o f f m a n 给出了 关于沟道迁移率的两种新的定义。一种是平均迁移率，是栅电压的函数，p a v g ( v g s ) 对应的是沟道内所有载流子的平均迁移率，根据沟道跨导( g d ) 求出，它的值与有 效迁移率f f 类似，它算是目前最好的可以预测t f t 电路性能的沟道迁移率计算 方法。第二种是增量迁移率p , m c ( v o s ) ，指的是栅压呈数量级变化时增加到沟道中 的载流子迁移率，通过计算沟道电导的微分锄a 求出，与场效应迁移率p f e 类似，是最好的可以用来分析t f t 的载流子输运机理的迁移率计算方法。表1 2 比较了传统沟道迁移率与h o f f m a n 所定义的沟道迁移率。肛f e 和1 t i n c 大致相同， 只是将i _ i , f e 的跨导除以v d s 替换为肛i n c 中的沟道电导对栅压的微分。类似的，f f 和p a v g 也是类似的，只是要将前者的阈值电压v t 替换为后者的开启电压v o n 。 这篇论文的引人之处在于它第一次从物理本质上阐述了沟道迁移率，尽管场效应 晶体管的迁移率计算早在4 0 多年前就有了。 f o r t u n a t o 等人制备了第一个所有制备工艺都在接近室温条件下的z n o t t f t 【l 。器件采用底栅结构，所有薄膜均采用射频磁控溅射沉积，i t o 作为栅电 极，绝缘层是2 0 0 n m 的氮氧化硅，沟道层为1 5 0 n m 的z n o ，源漏电极用z n o ：g a 。 他们报道的t t f t 的性能非常好：透光率测试如图1 5 所示，含衬底在内的平均 透光率为8 4 ，增强型模式，阈值电压( 实际上他们得出的是开启电压) 为1 8 v ， 场效应迁移率7 0c m 2 v 以s ，栅压摆幅为o 6 8 v d e c a d e ，漏电流开关比为5 1 0 5 。 w a v e h ：n g t h ( n l l l ) 图1 5f o r t u n a t o 等人报道的t t f t 的透光率 然而，他们报道的迁移率也令人怀疑，有以下几个原因。第一，他们计算的 是“场效应”迁移率，而用的却是估计饱和迁移率公式。第二，他们在论文中宣称 的实际迁移率，却没有输出曲线直接证实。第三，他们在之后发表的几篇关于z n o t t f t 的论文中估计了饱和迁移率的值，但是数值很小，只有2 0c m 2 v 1 s j 和2 7 硕士学位论文 c m 2 v 1 s 。第四，他们的t t f t 沟道并没有成形，由于边缘电场的作用，宽度为 w 、长度为l 的沟道外将会有边缘电流效应。 w a v e l e n g t h ( n m ) 圈1 6p r e s l e y 等人报道的t t f t 的透光率 p r e s l e y 等人证明了一种底栅结构的s n 0 2t t f t ，它采用a 1 2 0 3 和t i 0 2 的超晶 格薄膜( a t o ) 作为绝缘层，i t o 作为栅极，源极和漏极接触【l 引。s n 0 2 沟道层采用 射频磁控溅射沉积，然后在6 0 0 氧气中快速热退火。由v t + i o v 可知器件工 作在增强型模式。得到正的阈值电压是很困难的，因为不管用什么方法制备，s n 0 2 沟道层中的电子浓度总是很高。因此，将沟道厚度减小1 0 - 2 0 n m 可以降低沟道电 阻，增加沟道并联电阻，可以使晶体管的特性更加明显。在可见光波长范围内， 器件的平均透光率约为9 0 ，如图1 6 所示。最大场效应迁移率为2 0c m z v 以s ， 漏电流开关比为1 0 5 。 透明电子学早期发展的一个重要里程碑是n o m u r a 等人在接近室温条件下制 成的柔性衬底t t f t 1 3 】。这也是首次采用非晶多元重金属阳离子氧化物作为t t f t 沟道层。在这篇论文里，采用p l d 法在室温下2 0 0 1 x m 厚的有机物衬底( 聚对苯二 甲酸乙二醇酯) 上沉积3 0 n m 厚的非晶氧化铟镓锌物( a m z o ) 作为沟道层。然后沉 积1 4 0 n m 厚的y 2 0 3 栅绝缘层，最后沉积i t o 的源漏和栅电极，形成共面顶栅器 件结构。这种t t f t 的饱和迁移率为6 - 9c m 2 v j s 一，正向阈值电压为1 2 v ，漏电 流开关比为1 0 3 ，t t f t 薄片经多次重复弯曲后性能仍能保持稳定。虽然漏电流一 漏电压曲线没有完全饱和，但是不管有没有对它加弯曲的应力，它的电学性能已 经完全足够实现t t f t 的应用了。 2 0 0 5 年，c h i a n g 等人提出了另外一种非晶氧化物半导体( a o s ) 沟道层一锌锡 氧化物( z t o ) t 1 】。他们采用了两类底栅叉指的测试结构，t t f t 采用玻璃衬底，a t o 为绝缘层，而改进t f t s 采用重掺杂硅片衬底，热氧化s i 0 2 栅绝缘层。z t o 沟道 西 一零一口uc毋#l价cg卜 全透明l n g a z n o 。薄膜品体管 层采用磁控溅射沉积，再经后退火处理。后续退火温度为3 0 0 和6 0 0 是得到的 迁移率分别为5 1 5c m 2 v 。1 s 。1 和2 0 5 0c m 2 v 1 s 一，对应的开启电压为o 1 5 v 和5 5 v 。 漏电流开关比大于1 07 。奇怪的是，虽然他们采用了两种不同供应商的陶瓷溅射 靶材，用不同的z n o ：s n 0 2 摩尔比( 2 ：1 和l ：1 ) 进行研究，得到的t t f t 特性却 很类似。通过观察，z t o 层具有非常平滑的表面，是非晶结构，或者可能是纳米 晶结构( 通过x r d 峰值宽度分析估计最小晶粒尺寸为5 n m ) 。 d e h u f f 等人发现了一种新型的a o st t f t 沟道层材料一锌铟氧化物( z i o ) 【”】。 这种z l ot t f t 在可见光波长范围的透光率约为8 5 。6 0 0 退火后z i ot t f t s 工作在耗尽型模式，阈值电压为一2 0 到1 0 v ，开启电压为3 v 高于阈值电压。器件 表现非常好的漏电流饱和特性，峰值迁移率为4 5 5 5c m 2 v “s 。1 j 漏电流开关比为 1 0 6 ，亚阈值摆幅为o 7 8 v d e c a d e 。而当退火温度为3 0 0 时，z l ot t f t s 工作在 增强型模式，阈值电压为o 1 0 v ，开启电压为1 - 2 v 低于阈值电压，同样具有很好 的漏电流饱和，峰值迁移率为1 0 3 0c m 2 v o s ，漏电流开关比为1 0 6 ，亚阈值摆幅 为0 3 v d e c a d e 。x r d 分析显示退火温度在5 0 0 以下时为非晶或者纳米晶，z i o 的x r d 显示两个峰值，分别在2 0 = 3 2 0 和2 0 = 5 8 0 。同时，论文也提到了3 0 0 和 6 0 0 退火后迁移率与栅电压的关系。两种器件在大的v g s 下迁移率都呈下降趋 势，主要是因为电子注入势垒的形成和由粗糙界面所形成的散射。 j a c k s o n 等人制备了柔性衬底上的z t ot f t s t l 6 l 。器件采用底栅叉指结构，衬 底为5 0 i t m 厚的聚酰亚胺薄膜。利用溅射的铝作为底栅金属，在3 0 0 下用p e c v d 法沉积氮氧化硅作为栅绝缘层。z t o 沟道层中z n o 和s n 0 2 的摩尔比为1 ：1 ，用 室温溅射后在2 5 0 空气中进行后续退火，最后用a l 或者i t o 作为源和漏电极。 a l 电极并不合适，其接触电阻很大，有3 0 k f 2 。用i t o 作电极的z t ot f t s 则具 有更好的性能：v t 为8 8 v ，v o n 为1 7 v ，亚阈值摆幅为1 6 5 v d e c a d e ，漏电流开 关比为1 0 6 。虽然阈值电压和亚阈值特性还需要进一步改善，但j a c k s o n 等人的工 作揭示了z t ot f t s 在柔性电子学中的潜在应用价值。 h o n g 和w a g e r 发展了有效钝化z t o 表面的工艺方法【f 7 1 。他们发现底栅t f t 的z t o 暴露在空气中的表面沉积一个覆盖层后，输出特性曲线是明显变差。覆盖 层的存在使得器件更像一个栅控的电阻，而不是晶体管，它不能关断，漏电流也 不饱和。而暴露表面在空气中的z t ot f t 则具有理想的漏电流漏电压曲线。这 种覆盖层引发的退化是由于形成了一个表面电子积累层及栅压诱导的界面导电电 流的分流，如图1 7 所示。进一步的研究表明，在沟道层沉积完以及沉积钝化层 后分别进行两次退火处理可使z t o 表面成功钝化。 c a r c i a 等人在近室温条件下柔性塑料衬底上制备了z n ot f t s 【1 8 l 。他们采用 a l 作栅和源漏电极，电子束蒸发4 0 0 n m 的a 1 2 0 3 作栅绝缘层，溅射沉积5 0 n m 的 z n o 作为沟道，所有工艺都在接近室温的条件下做成。通过控制溅射z n o 时的氧 1 0 硕_ j 二学位论文 气分压大小，可以使z n ot f t 的场效应迁移率从2 到4 0c m 2 v 。s 1 转变。c a r c i a 将它归结为氧空位以及z n o 化学计量比的调制。这项工作进一步证明了z n o 等 无机氧化物在低温工艺柔性电子学中的应用潜力。 g a t e ( v o s = + ) 图1 7 底栅t f t 结构图，中间标出了所有电流分布的路径。i d i n t e r f a c e 为栅偏 压在沟道层与栅绝缘层界面所感应的载流子产生的漏电流。i d s u r f a c e 为在沟道 层与钝化层界面的电子积累层里产生的漏电流，这就是使t f t 性能退化的原因。 h o f f m a n 扩展了他之前在t f t 模型方面的研究【l 们，发展了一种长沟道t f t s 的密闭形态的直流模型，明确的解决了典型t f t s 和t t f t s 中存在的迁移率依赖 栅压的问题【l9 1 。这个模型计算的中间量是i d ， 厶：c g 孚弘临如d ( 1 - 1 0 ) l 一一 c g 为栅极电容密度，w 和l 分别为栅极的宽度和长度，v g s 为栅源电压，v d s 为漏一源电压，v o n 为开启电压，v 。f f 是栅压中用于诱导移动沟道电荷的那部分电 压，它由下式给出， z e h 抄) = 一一y 抄) ( 1 1 1 ) y 为沿沟道方向距离源极边缘的距离。公式( 1 1 0 ) 和( 1 1 1 ) 中应该注意的是该模型 严重依赖于v o n 和p a v g 的使用，这和h o f f m a n 在2 0 0 4 年的论文中的定义是一样 的【1 0 】。要估算i d 的数值，必须求出r t a v 6 ( v g s ) ，p a v g ( v g s ) 可以通过测量器件的线 性区沟道电导求出来。通过分析多组z n o 和z t ot f t 曲线，得到了一个确切的 结论：高栅压下z t ot f t 的平均迁移率p a v g 下降是因为本身的迁移率下降，而 不是因为接触电阻的问题。 m a t s u z a k i 等人制备了适宜于深紫外光区应用的顶栅t t f t ，它采用了g a 2 0 3 作为沟道材料【2 0 1 。g a 2 0 3 之所以适宜于深紫外应用，是因为其带隙非常大( 约有 4 9 e v ) 。g a 2 0 3 沟道层通过p l d 外延生长在q a 1 2 0 3 衬底上，使用优化的工艺参 全透明l n g a t n o 。薄膜品体管 数( 5 0 0 c 1 2 0c m 2 v s ，阈值电压接近零，亚阈值摆幅为9 0 m v d e c a d e ，漏电流开关比为1 0 5 。 2 0 0 7 年，s u r e s h 等人报道了他们制作的t t f t l 2 9 】。采用底栅结构，在玻璃衬 底上溅射2 0 0 n m 的i t o 作为栅极，原子层沉积( a l d ) 2 2 0 n m 的a t o 作为栅介质， 通过p l d 法沉积i g z o 和i t o 分别作为沟道和源漏电极。饱和迁移率高达1 4 c m 2 v s 。 h s i e h 等人通过简单的减小z n o 薄膜的沉积厚度( 从6 0 n m 到1 0 n m ) 使其从多 晶变为为非晶态【3 0 1 。利用等离子增强化学气相沉积法( p e c v d ) 沉积5 0 n m 的s i n x 作为栅介质，溅射i t o 作为栅和源漏电极。分别制备了顶栅和底栅结构的t t f t 。 顶栅结构的t f t 迁移率和开关比分别达到了2 5c m 2 v s 和1 07 。所有的t t f t 在可 见光波长范围的透光率均超过了8 0 。 s o n g 等人报道了采用全室温全射频磁控溅射工艺的铟锌氧化物( i z o ) t t f t 3 t j 。i z o 沟道层和i z o 栅、源漏电极均采用射频磁控溅射，通过氧压来调 1 3 伞透明l n g a z n o 。薄膜晶体管 节i z o 的电阻率。栅介质是射频溅射1 0 0 n m 的a i o x 。阈值电压为1 1 v , 开关比 和饱和迁移率分别达到了1 0 6 和o 5 3 c m 2 v s 。器件在可见光波长范围内的透光率 约为8 0 。 k i m 等人利用射频磁控溅射1 7 0 n m 的非晶b a o 5 s r o 5 t i 0 3 作为高k 栅介质， 室温射频磁控溅射3 0 n m 的i g z o 薄膜作为沟道，制备了工作电压在3 v 的t f t t 3 2 1 。 迁移率，亚阈值摆幅和开关比分别达到了1 0c m 2 v s 、0 5 v d e c 、1 0 7 。 2 0 0 9 年，k i m 等人报道了采用a l d 方法沉积1 0 0 r i m 厚的a 1 2 0 3 作为栅介质 p 3 。，其单位面积电容达到了8 l n f c m 2 。t f t 的工作电压小于5 v ，迁移率、亚阈 值摆幅以及开关比分别达到了8c m 2 v s 、0 1 v d e c 、1 0 7 。 r y u 等人利用s n 代替昂贵的g a ，。制备了z n i n s n o 沟道t f t 3 4 l 。栅介质是 采用a l d 方法沉积的1 8 5 r i m 的a 1 2 0 3 。他们发现，i n 具有提高迁移率和使阈值 电压负移的特性。相比之下，s n 则有提高陷阱密度的作用。 s u n 等人在玻璃衬底上制备了s b 掺杂的s n 0 2 沟道t t f t t ”】。扫描电镜照片 ( s e m ) 显示沟道为纳米晶形态。s u n 认为是由于s b 掺杂导致费米能级提高，导致 晶界之间的势垒降低，从而使迁移率提高。s n 0 2 沟道采用射频磁控溅射法沉积 1 0 0 r i m 的厚度，栅介质采用p e c v d 沉积1 0 0 纳米的s i 0 2 。器件在可见光波长范 围内透光率约为8 0 ，迁移率和开关比分别为1 5 8c m 2 v s 、1 0 4 。 1 3 透明薄膜晶体管在电路中的应用 基于透明导电薄膜的透明电路鲜有报道。2 0 0 6 年，p r e s l e y 等人在s o l i d s t a t e e l e c t r o n i c s 杂志上报道了基于氧化铟镓( i g o ) 的透明反相器和环形振荡器【3 6 1 。本 节还附带讨论了透明电路的和透明电路应用的其它例子。虽然这些电路和应用离 进一步的实际应用还有一段距离，但是其应用前景显然是十分诱人的【3 7 卅】。 1 3 1透明反相器和环形振荡器 p r e s l e y 等人制作的透明反相器和环形振荡器是以i g o 作为导电沟道，透明 玻璃作为衬底。反相器的器件结构如图1 8 所示，栅极、源极、漏极均采用i t o 作为电极材料，栅介质为s i 0 2 ，沟道为i g o 。 图1 9 显示了透明反相器的传输特性。反相器包含两个n 型i g ot t f t ：一个 控制晶体管和一个负载晶体管。图1 9 中，负载晶体管的栅压( v l o a d ) 和漏压偏 置( v d d ) 都被设置为3 0 v 。控制晶体管的宽度和长度分别是2 4 0 0p , m 和6 0p , m ； 负载晶体管的宽度和长度分别是6 0 0 “m 和6 0 m 。 如图1 9 所示，展示了用n 型晶体管制作环形振荡器所必需的特性( 没有使用 水平位移电路) 。首先，注意到转换电压( 输出电压开始减小时的输入电压) 发生 在正的v i n 值；这就保证了控制晶体管在环形振荡器工作时可以关断，并且导致控 1 4 硕上学位论文 制晶体管的近零工作电压。另外，图1 9 中显示的传输曲线的最大增益( d v o 。d v i 。) 1 5 ：而要使信号有效传输的反相器增益至少要大于l ( 才能驱动下级反相器) 。 反相器的增益会明显受到驱动和负载晶体管的阻抗比、沟道迁移率，器件几何形 态和偏压状态的影响。图1 9 里的插图显示了基于i g o 沟道的反相器的增益与v d d ( 同时v 1 0 a d = v d d ) 的函数关系；从该图可以看出，当v d d 从1 0 v 增加至l j 3 5 v 时，反相 器的增益也会随之增加。 c 固 z 图1 8 透明反相器的结构示意图。( a ) 反相器截面图；( b ) 反相器俯视图。负载 管和控制管的宽度分别w l 为6 0 0g m ，w 2 为2 4 0 0g m ，栅源和栅漏交叠区的长度 l 。，为2 0 01 t m 。 v i , ( v ) 图1 9 基于i g o 沟道t t f t ，v i 。d 和v d d = 3 0 v 的透明反相器的传输曲线。插图 显示了增益和v d d 的函数关系。 全透明i n g a z n o 。薄膜品体管 图1 1 0 显示了利用i g o 沟道t t f t $ 0 作的五级透明环形振荡器电路的振荡频率 与v d d 的函数关系( v i o 。d 总是等于v d d ) 。与预测一致，透明环形振荡器电路的振 荡频率是随v d d 的增加而增加的；最大的振荡频率是当v d d 达到最大值8 0 v 时， 约为9 5k h z 。线性趋势曲线的数据显示振荡频率相对于v d d 来说是线性的函数关 系：但是在较低的v d d 时，振荡频率与v d d 将偏离线性关系，这是由于在较低的 v d d 时沟道迁移率随v g s 的变化关系是一种非理想的线性关系。 霄 工 专 x o c o j 了 乏 沁 v o o ( 图1 1 0 利用i g o 沟道t