有源层厚度对ZnO-TFT的影响.docx

有源层厚度对磁控溅射ZnO薄膜晶体管电学性能影响摘要：本文采用以热生长的SiO2作为绝缘层，在相同溅射工艺条件下通过调节溅射时间制备不同厚度有源层的ZnO薄膜晶体管，研究了有源层厚度对ZnO-TFT电性能的影响。实验结果表明，不同厚度的ZnO薄膜有源层对ZnO TFT电学性能影响很大，随着有源层厚度的增加，ZnO-TFT性能逐渐变好，当厚度继续增加时，ZnO-TFT性能逐渐变坏。结合X射线衍射谱，原子力显微镜对ZnO薄膜微结构进行分析，发现ZnO-TFT性能在随薄膜厚度在一定范围内改善是因为ZnO厚度的增加使ZnO薄膜的晶粒尺寸增大，表面粗糙度降低；超过一定厚度范围后性能变坏是因为ZnO厚度的增加使。 Abstract：1、引言近年来，场效应薄膜晶体管（TFT）在有源矩阵驱动显示器中发挥了重要作用，而TFT中半导体的性质对器件的性能、制作工艺有重要影响。目前，较为使用较广的是非晶硅（a-Si）或多晶硅（p-Si）。其中a-Si TFT具有制备工艺简单、容易大面积制作和漏电流小等特点，是有源矩阵液晶显示器件中应用最广和最为成熟的一种显示器件。但a-Si材料的迁移率较低，一般在0.1-1.0cm2/V.s范围，不能满足显示器件高速，高亮度的要求。低温p-Si技术制备的p-Si TFT虽具有较高的迁移率（30-100cm2/V.s），但需要激光晶化处理等复杂工艺。ZnO是一种新型宽禁带直接带隙化合物半导体，相对Si基材料具有迁移率高，对可见光透明等优点，在有源矩阵驱动液晶显示中有巨大应用潜力。最近对ZnO-TFT的研究中，ZnO薄膜的制备多采用溅射法。磁控溅射法具有方法简单，薄膜致密，较高的溅射速率等特点，因而得到广泛使用。然而采用采用溅射法制备ZnO薄膜有源层的过程中，溅射工艺对ZnO薄膜质量有决定性作用。本文以高纯ZnO作溅射靶，在已生长SiO2的n型硅片上，采用射频磁控溅射法，在相同的溅射工艺条件下通过调节溅射时间生长了不同厚度的ZnO薄膜作为有源层，此基础上制备底栅顶接触型ZnO-TFT器件，研究ZnO有源层厚度对ZnO-TFT器件性能的影响及其机理。2 实验以电阻率为0.61.2.cm、晶向为（100）的n型单晶硅片作为衬底和栅（G）电极，采用标准硅工艺清洗硅片后，用20%的HF溶液除去硅片表面的自然氧化层，然后采用热氧化法，在氧气气氛，1000下生长163nmSiO2薄膜作为栅介质层，用稀释的HF溶液擦去硅片背面的氧化层后，采用射频磁控溅射法在SiO2层上生长一层ZnO薄膜作为有源层。溅射时采用高纯ZnO靶材（纯度为99.999%），功率为70W，Ar与O2的流量比为20:20，本底真空度为410-4Pa，溅射气压为0.5Pa，溅射温度分别为350，溅射时间为分别为10 min，20 min，30 min，40min，50min。最后采用真空镀膜技术掩膜版，在真空度为2.010-3Pa条件下蒸发Al制备源（S）电极和漏（D）电极，制备出底栅顶接触型ZnO-TFT，器件的宽为800m，长为50m，器件结构剖面如图1所示。图1 ZnO-TFT器件结构剖面图利用BX51M金相显微镜测量电极面积，Agilent 4284A电容分析仪测量、Al/ZnO/SiO2/Si结构的电容-电压特性，从而计算出单位面积栅介质电容（Cox），为21.2nF/cm2。采用德国Ocean Optics公司的Nanocalc-XR光学薄膜测厚仪测量ZnO薄膜厚度，ZnO-TFT器件的电特性利用Agilent4156C半导体参数分析仪及CASCADE RF-1探针台组成的测试系统进行测试，器件特性测试在室温无光照的普通空气环境下进行。用D8 Advance型X射线衍射仪（XRD，德国布鲁克公司）分析ZnO薄膜的结晶状况； 3 结果与讨论采用德国Ocean Optics公司的Nanocalc-XR光学薄膜测厚仪对制得的ZnO有源层厚度进行测量，得到溅射时间为10 min，20 min，30 min，40min，50min的ZnO薄膜厚度分别为20nm，41nm，67nm，111nm，133nm。3.3 电学特性图2和图3分别为不同有源层厚度的ZnO-TFT器件的输出特性曲线和转移特性曲线。从图2可知：栅极偏压对器件的漏极电流(IDS)有明显的控制作用，表现出良好的饱和特性；不同厚度ZnO有源层的样品输出特性存在很大差异，在栅电压为40V时，对于有源层厚度为20nm的器件，其饱和区漏电流仅为0.26A，而有源层厚度为41nm的器件，其饱和区漏电流为3.1A ，较有源层厚度为20nm器件增大明显，但有源层厚度大于41nm后，此时有源层厚度对器件输出特性影响很小，可见有源层厚度对薄膜晶体管性能有重要影响，有源层厚度太薄时，器件输出特性很差；厚度增加，器件输出特性变好；当厚度继续增加到一定程度后，此时对器件输出特性影响不大。20nm 41nm67nm 111nm133nm图2图3为图2中对应各个器件的转移特性曲线。从图中可以看到有源层厚度为20nm的器件关态电流最小，有源层厚度为133nm的器件关态电流最大，器件关态电流随有源层厚度的增加而增大；有源层厚度为20nm的器件开态电流最小，而厚度大于41nm的器件开态电流趋于稳定，但厚度为133nm时，开态电流出现一定程度的下降， 图3对于薄膜晶体管而言，晶体管处于饱和状态时的饱和电流ID,sat通常可表示为 （1）式中，eff为薄膜晶体管饱和区载流子有效场效应迁移率，VTH为阈值电压。器件的有效场效应迁移率eff可从ID12与UGS变化关系并通过式（2）求得： (2)由式（2）可计算出在漏电压为40V时ZnO-TFT器件的饱和区载流子有效场效应迁移率。表1为不同厚度ZnO-TFT器件性能参数。从表中可以看到，有源层厚度为67nm的器件开关电流比和有效迁移率最大，并且在小于67nm时，开关电流比和有效迁移率随有源层厚度增加而增大，在大于67nm时，开关电流比和有效迁移率随有源层厚度增加而减小。 这是因为有源层太薄时，ZnO很难在SiO2绝缘层上生长出均匀、连续的膜层；ZnO薄膜太厚时，使场效应的感应电荷变弱，迁移率随之变小，并且有源层越厚，薄膜中的缺陷和氧空位越多，这些都影响了器件的有效迁移率【】。 表1 不同有源层厚度的ZnO-TFT性能参数有源层厚度(nm)开关电流比有效迁移率(cm2/V.s)阈值电压VTH(V)203.431030.04931.2411.911040.39730.7673.721040.75232.01111.211040.44829.61336.351030.08021.4为进一步分析实验结果，我们测量了不同厚度ZnO薄膜的原子力显微镜（AFM）图像和X射线衍射（XRD）图谱，其结果如下所示：图4为不同厚度ZnO薄膜的原子力显微图像 图3.1(a)10min 图3.2（b）20min 图3.2（d）30min 图3.2（c）40min 图3.2（e）50min表3.1 薄膜的晶粒尺寸和表面粗糙度有源层溅射时间（min）表面平均粗糙度（nm）晶粒平均直径（nm）有源层厚度（nm）100.23350.720200.91268.841301.2581.167401.7783.998502.0091.01233.2 XRD从三维图中可以看到，随着薄膜厚度的减小，晶粒尺寸随着薄膜厚度的减小而增加，晶粒尺寸越大，则晶界越少，晶粒与晶粒之间的距离越短，则晶粒内的载流子传输越容易。也就是说，这时候ZnO是同时沿平行于衬底方向的晶粒尺寸变大，利于载流子的传输。当ZnO厚度增加时，ZnO沿（002）也就是垂直于衬底方向的生长速度快，导致沿平行于衬底方向的晶粒尺寸变小，晶界密度大，这也可以从不同厚度ZnO的AFM图得到证明，可以看到，当薄膜厚度为67nm时，晶界密度最小。其次从平面图中可以看到，在ZnO薄膜在67nm厚度时，薄膜表面未出现明显的缺陷，可是随着薄膜厚度的增加，薄膜表面的缺陷逐渐增加，出现了氧空位和由于在相对高温的长时间溅射下导致的薄膜成分流失，而出现了缺陷，由于缺陷的存在，载流子被缺陷捕获，导致薄膜内载流子的传输受到很大的影响。 从以上分析可以得出，造成器件迁移率随薄膜厚度的增加而下降的原因有三点：1、从薄膜的生长模式可以看出，氧化锌在SiO2上的生长模式为层状-岛状生长，由于氧化锌分子与SiO2薄膜之间的浸润性较好，氧化锌分子与SiO2原子键结合，薄膜沿衬底表