陈文彬， 何永阳， 陈 赞

(电子科技大学 光电信息学院, 成都 610054)

0 引 言

薄膜晶体管技术是平板显示的核心技术[1]，其所采用的半导体材料经历了氢化非晶硅(α-Si:H)、纳米晶硅和低温多晶硅(LTPS)的发展[2-3]。近年来更是出现了以α-IGZO为代表的金属氧化物TFT[4-5]，国内也已经将α-IGZO TFT引入到了实验教学中[6]。

TFT性能的高低以TFT的特性参数来表征，TFT的特性参数须从TFT电流-电压特性，即转移特性曲线和输出特性曲线中提取。尽管Shur等建立了精确的α-Si:H TFT和LTPS TFT物理模型[7]，但是，由于物理概念清晰，使用相对简单，TFT的电流-电压特性仍然常用TFT的一级模型来描述，实验室中或新型TFT技术开发中经常用来结合实验数据进行TFT特性参数提取。TFT的一级模型与TFT的实际特性相差比较大，为了提取有意义的TFT特性参数，必须对测试条件及数据拟合范围进行仔细的鉴别。由于在教材甚至专著中往往对这一点避而不谈[8-9]，因此对于学生和TFT的初级研究人员来说，往往对实验室中TFT的特性参数提取一头雾水。基于此，本文制备了α-IGZO TFT，根据测试曲线给出了α-IGZO TFT电特性参数的提取方法和提取结果。

1 α-IGZO TFT的结构与制备

选用覆盖有二氧化硅层的玻璃基板，采用如图1所示的底栅反交叠ES结构，沟道宽长比为20 μm/10 μm。200 nm厚的栅极金属层和300 nm厚的源漏极金属层采用直流磁控溅射制备。采用PECVD在350 ℃下形成SiOx栅极绝缘层，绝缘层单位面积电容为18 nF/cm2。采用射频磁控溅射在室温下形成50 nm厚的α-IGZO层，IGZO靶材组成按照分子比的典型值为In2O3∶Ga2O3∶ZnO =1∶1∶1，溅射气体采用Ar/O2混合气体，氧含量为4%，溅射功率为18.3 kW。由PECVD在200 °C下形成100 nm厚的SiOx薄膜并干法刻蚀形成刻蚀阻挡层。最后在空气中200℃下退火1 h稳定α-IGZO和金属电极的接触电阻。利用Keithley- 4200 SCS系统测试TFT的输出特性和转移特性，所有测试均在室温下进行。

图1 底栅反交叠刻蚀阻挡型α-IGZO TFT

2 α-IGZO TFT特性参数提取法与结果讨论

2.1 TFT的一级近似模型

TFT工作时，加在栅极和源极间的电压为UGS，正栅压使α-IGZO的能带在α-IGZO/SiOx界面向下弯曲，电子积累在α-IGZO/SiOx界面附近形成导电沟道，在漏源电压UDS作用下，这些载流子在源漏间流通，从而在沟道中产生从漏极到源极的漏极电流ID。定义单位面积栅绝缘层的电容为Ci，TFT的场效应迁移率为μFE。根据TFT的一级模型，当UDS较小时，TFT工作于线性区，漏极电流IDlin为

(1)

式中：UDS≤UGS-UTH，UTH为阈值电压，指的是产生明显漏极电流时的外加栅压。理想情况下，当UGS

增大漏源电压至漏极饱和电压UDS sat=UGS-UTH时，漏极电流首先在漏端达到饱和，沟道夹断。当UDS>UDS sat时，漏极饱和电流ID sat为

(2)

2.2 线性区载流子迁移率和阈值电压

当UDS较小时，令

(3)

式(1)可以改写为

IDlinn=μFEUGS-UTH

(4)

由式(4)可知，IDlinn与UGS成线性关系，直线与UGS轴的交点对应TFT线性区阈值电压，该直线的斜率即为TFT线性区载流子迁移率。α-IGZO TFT在UDS为0.1和1 V时的转移特性曲线如图2所示，确定拟合区间时尽量选择UGS比较大的值以避免非线性的影响。随着UDS的升高，线性拟合之后的直线在UGS轴上的截距迅速变大，因此应该选择UDS很小时的曲线来作拟合，这时的值作为TFT的特性参数。拟合UDS为0.1 V时的曲线可得TFT线性区载流子迁移率和阈值电压分别为6.27 cm2/V·s和7.7 V。

图2 α-IGZO TFT线性区场效应迁移率和阈值电压

2.3 饱和区载流子迁移率和阈值电压

TFT工作于饱和区时，令

(5)

由式(2)可以得到饱和区的归一化漏极电流的平方根与UGS成正比，即

(6)

图3 α-IGZO TFT饱和区场效应迁移率和阈值电压

2.4 开关比

当TFT处于关态(截止状态)时源漏极间的最小电流叫做关态电流Ioff。TFT的开关比Ion/Ioff定义为20 V时的开态电流Ion与最小关态电流之比。由图4所示的转移特性曲线可知，α-IGZO TFT的截止电流低于10-13A，远小于LTPS TFT的截止电流[10]，即使与α-Si:H TFT相比，α-IGZO TFT的截止电流也有1～2个数量级的降低[11]，Ion/Ioff值高达109。平板显示要求TFT的开关比大于10-6，因此，α-IGZO TFT的开关特性非常好。

图4 α-IGZO TFT的转移特性曲线和开关比

2.5 亚阈值摆幅

在TFT的亚阈值区漏极电流增加一个数量级对应的栅压为亚阈值摆幅S，即

S=dUGS/d(lgIDsub)

(7)

S的单位是mV/dec，表示ID-UGS关系曲线的上升率，是用作逻辑开关时的一个重要参数。为了提高TFT的亚阈值区工作速度，要求S值越小越好。

lgID～UGS曲线如图4所示，在漏极电流急剧上升区间选择适当的数据点反复作直线拟合，最终的拟合直线示于图中，其斜率的倒数即为S，数值为276mV/dec。对图4所示曲线进行拟合求导，再取倒数可得如图5所示曲线，其中的最小值作为S的值，可以求得S为272 mV/dec，与线性拟合的结果相近。α-IGZO TFT的S值接近LTPS TFT的S值，优于α-Si:H TFT的S值[12]。综合α-IGZO TFT的电特性参数可知，场效应迁移率和亚阈值摆幅已接近文献[13-15]中的水平，阈值电压较高，开关比已经处于优势。

图5 α-IGZO TFT的亚阈值摆幅

3 结 语

采用磁控溅射法制备了底栅反交叠刻蚀阻挡型α-IGZO TFT，得到了TFT的电流-电压特性曲线，根据TFT的一级近似模型，给出了TFT的场效应迁移率、阈值电压、开关比和亚阈值摆幅的提取方法。通过仔细筛选测试条件和数据拟合范围，得到α-IGZO TFT线性区和饱和区场效应迁移率和阈值电压分别为6.27 cm2/V·s和7.7 V，7.24 cm2/V·s和4.3 V，α-IGZO TFT的开关比和亚阈值摆幅分别为109和272mV/dec。TFT的特性参数提取方法简单易行，适用于实验教学及TFT的研究。