胡小强，杨小天，李 慧，李 博，胡伟涛，雷明洲

吉林建筑大学 电气与计算机学院 长春,130118

0 引言

随着带显示器电子设备的迅猛发展,对薄膜晶体管(TFT)提出了更高的技术要求,如更高的载流子迁移率、透光性、柔韧性以及更低的薄膜生长温度等.常规的Si基TFT已经不能满足上述高新技术设备的要求.非晶硅TFT的载流子迁移率和稳定性不佳,而多晶硅TFT的制备温度又很高,使得制备工艺复杂,生产成本高[1].因此,需要寻找一种符合目前需求的TFT有源层材料,替代Si在传统显示设备中的应用,而且还要应用于包括柔性存储器、柔性透明显示器、电子皮肤、生物传感器、可植入医疗设备和可穿戴设备等在内的未来新兴技术[2].

相较于非晶硅TFT, 氧化物TFT在电学性能和物理稳定性方面更具有优势.基于ZnO半导体掺杂的有源层材料层出不穷,例如InZnO,InSnO,InGaZnO,InMgZnO等,这些材料的应用使得TFT的电学性能及其稳定性得到不断提高.自2004年首次报道以来, IGZO已经出现在诸多应用中.随着研究的深入,人们发现IGZO的光学带隙较窄,对载流子调控能力不强.IGZO TFT对氧气和水蒸汽比较敏感,使用寿命短,难以长期稳定运行[3].铟和镓在地壳中的含量较少且对人体有毒，故有必要寻找能满足薄膜晶体管性能、经济、无毒等要求的新材料.Al和Sn在地壳中的含量大,且对人体无毒,是替代铟和镓的理想元素[4].近年来，随着科研人员的不断探索,发现Al-Sn-Zn-O(AZTO)具有优异的光学透过率,较高的载流子迁移率和较好的稳定性,是目前IGZO替代材料之一,与IGZO相比,AZTO的相关研究相对较少.本文拟对不同厚度AZTO有源层对薄膜晶体管电学性能和光学透过率的影响展开研究.

1 实验过程

本实验用磁控溅射法制备AZTO薄膜,制备过程如下:① 基底清洗;② 生长有源层;③ 对薄膜退火处理;④ 生长铝电极.

基底清洗:基底的洁净度对TFT的性能有着直接的影响.首先将基底用超声波清洗机在丙酮溶液中洗涤10 min,然后在无水乙醇中洗涤10 min除去残留的丙酮,之后在超纯水中洗涤10 min除去残留的乙醇.上述步骤可去除基底表面的灰尘、有机物和碎屑等,最后在烘箱内烘干便可得到洁净的SiO2/Si基底.

生长薄膜:利用射频磁控溅射在SiO2/Si基底上沉积AZTO薄膜,本研究使用的靶材为高纯AZTO陶瓷铜背靶(纯度为99.99 %,ZnO∶Al2O3∶SnO2=68∶2∶30,直径50.8 mm,厚度3 mm).先抽粗真空至1.5×10-1Torr,再抽高真空(到4.8×10-5Torr),然后通入氩气(纯度为99.999 %),将启辉气压稳定在20 mTorr,启辉功率设置为50 W.然后设置氩氧比为98∶2,溅射时压强稳定在20 mTorr,溅射功率设置为100 W,溅射时长分别为30 min,40 min,50 min,整个溅射过程在室温下进行[5].

退火:将生长好AZTO薄膜的基底使用快速退火炉在空气中以500 ℃退火1 h,冷却20 min到室温[6].

生长电极:采用金属掩膜版代替光刻工艺，使用电子束蒸发设备生长50 nm厚的Al电极.金属掩膜板工艺相对于光刻工艺步骤简单且没有化学药品对薄膜的侵蚀,有利于提高器件性能.

2 实验测试与分析

图1为场发射扫描电子显微镜拍摄的有源层图片,扫描电压为10 kV,放大倍数为10万倍,可以观察到薄膜致密且均匀,随着生长时间的增加,晶粒尺寸也越来越大,晶界也越来越明显[7].

(a) 生长时间为30 min (b) 生长时间为40 min (c) 生长时间为50 min图1 不同生长时间的薄膜表面形貌Fig.1 Film surface morphology at different growth times

图2为场发射扫描电子显微镜拍摄的AZTO有源层横截面图,由图2可以观察到,随着溅射时间的增加,有源层的厚度也在不断增加,生长时间为30 min时薄膜的厚度为52.5 nm,生长时间为40 min时薄膜的厚度为92.8 nm,生长时间为50 min时薄膜的厚度为121 nm[7].

器件开关比是衡量薄膜晶体管性能的重要指标之一，如何提高开关比来提升TFT器件的性能是科研人员做研究的一项重要课题. 2017年肖有成[8]研究得出AZTO有源层厚度为50 nm时器件的性能相对较好,开关比达到了1.84×104.

(a) 厚度为52.5 nm (b) 厚度为92.8 nm (c) 厚度为121 nm图2 不同厚度的AZTO有源层Fig.2 AZTO active layer with different thickness

图3为在黑暗环境下使用半导体参数仪测试TFT器件的转移特性图,可以看到AZTO有源层生长时间为30 min时开关比达到106,生长时间为40 min时开关比达到105,生长时间为50 min时开关比为104.

由图2(a)可以看到,AZTO有源层生长时间为30 min时有源层厚度为52.5 nm，有源层较薄,界面的缺陷较多,但此时薄膜晶体管的开关比最高.虽然薄膜厚度为52.5 nm时氧空位数目少,载流子浓度较低,载流子易被俘获[9],但同时其漏电流也最低,小于10-10A,器件开断反应迅速. 此时开关比达到1×106,相比肖有成等人的研究结果有了明显提升.

从图3可以看出,当有源层厚度为92.8 nm时,器件的漏电流增加到10-9A,最大开态电流为10-4A,与厚度为52.5 nm的有源层相比开态电流并没有太大变化,器件开关比减小；随有源层厚度增加到121 nm,漏电流进一步增加到10-8A,同时开态电流变化很小,维持在10-4A,开关比也进一步减小到104.这是由于AZTO薄膜厚度的增加,AZTO结晶也越来越大,氧空位数目增加,载流子浓度增加.随着厚度增加和晶粒的增大,晶界也更明显,对载流子的散射更强[10],限制了器件的开态电流,其漏电流也明显增大,导致薄膜晶体管的开关比下降[11].同样,光学透过率也是衡量薄膜晶体管性能的重要指标，透光性好的器件对未来发展透明显示有着重要意义.袁玉珍等[12]人采用直流磁控溅射法制备Al和Zr共掺杂的ZnO薄膜,可见光范围(500 nm～800 nm)的平均透过率为91.3 %～95.6 %.刘斌[13]利用射频磁控共溅射Sn靶和AZO靶制备ATZO薄膜,在400 nm～900 nm波长范围的平均透过率大于80 %,最高85 %.

图3 不同厚度有源层的AZTO-TFT转移特性曲线Fig.3 AZTO-TFT transfer characteristic curves of active layers with different thicknesses

图4 不同厚度AZTO有源层的透过率Fig.4 Transmittance of AZTO active layer with different thickness

图4为紫外分光测试的3组不同厚度薄膜的透过率,测试波长范围200 nm～800 nm.

从图4中可以看到,3组薄膜在300 nm左右出现了陡峭的吸收边,厚度为52.5 nm的薄膜透过率最高,对390 nm波长透过率超过97 %较之以往有所提升,在350 nm～800 nm的波长范围内拥有较高的透过率,大于80 %；由于薄膜生长时间的增加,AZTO有源层变厚,透过率也随之降低,厚度为92.8 nm的薄膜最高透过率为94 %,厚度为121 nm的薄膜最高透过率为90 %.由此可见,在52.5 nm厚度时薄膜具有良好的透过率,可以应用在未来的透明显示器件上.

3 结论

在本实验中，AZTO有源层的厚度为52.5 nm时，器件呈现出最好的电学性能,薄膜呈现出最好的光学性能.电流开关比达到了1×106，与以往相比有了明显提高.当有源层超过此厚度时,开关比呈现下降的趋势, 同时透光率也随之下降.可以得出结论,TFT器件的开关比在一定范围内随着AZTO有源层厚度的增加而减小,薄膜的透光率随着AZTO有源层厚度的增加而降低.350 nm～800 nm波长范围内薄膜透过率都在80 %以上,薄膜厚度为52.5 nm时透光率最高，达到了97 %.3组薄膜都表现出良好的透过率.AZTO TFT可以作为未来透明显示器件的潜在应用.