高悍津，高晓红，孙玉轩，王森，张子博，杨晨

（吉林建筑大学 电气与计算机学院，吉林长春，130000）

0 引言

氧化锌（ZnO）作为现阶段最受欢迎的薄膜晶体管(Thin Film Transistor, TFT)有源层材料，具有诸多优点，如成份简单，带隙宽，低温生长，均匀性好，价格低，绿色环保，储量丰富等[1]。通过研究发现对氧化锌掺杂合适的金属离子，可以改善薄膜质量，提高器件性能。例如，Ravi Kant等人选择铝（Al）和锰（Mn）[2]，X. Ding等人选择镁（Mg）[3]，L Xu等人选择铪（Hf）[4]分别作为氧化锌的掺杂元素，以及选择氧化锌中掺杂铜（Cu）、锰（Mn）、钇（Y）等元素中的杨功胜[5]周佩佩[6]，选择铟-镓（In-Ga）、铟-铝（In-Al）共掺杂的张杰[7]等制备出的掺杂氧化锌器件在薄膜质量和电学性能上与纯氧化锌相比均有所提高。

本文选择镓（Ga）作为氧化锌的掺杂元素，可以实现利用金属离子特性抑制纯ZnO-TFT有源层中氧空位等本征缺陷提升薄膜质量，实现载流子调控[8]。Ga-O键和Zn-O键的键长分别为1.92 Å、1.97 Å，非常接近，即使在掺杂浓度很高的情况下晶格畸变也比较小。同时，锌离子被作为杂质的镓离子取代，室温下会在导带中释放一个自由电子，可以有效的提高器件的电导率，提高器件性能。综上，本文选择镓作为氧化锌的掺杂元素来制备氧化锌掺杂镓薄膜晶体管。

1 实验

实验采用美国Kurt J.Lesker公司生产的PVD75型磁控溅射设备，在室温下沉积GnZnO (GZO)薄膜，使用表层有厚度为100nm SiO2绝缘层的p型Si衬底作为基片。将基片打磨漏出栅极后，分别使用丙酮、无水乙醇、超纯水进行超声清洗，除去表面杂质。将基片置于磁控溅射设备腔室中室温沉积GZO薄膜，沉积条件见表1。沉积完成后采用湿法光刻进行有源层图案化。最后采用亮杰公司生产的EB-420型电子束蒸发设备蒸镀50nm厚度的铝作为器件的源、漏电极。利用光刻—剥离技术对电极进行剥离。图1为GZO-TFT器件结构示意图，沟道长度、宽度分别为10mμ、300mμ。

表1 GZO薄膜沉积条件

图1 GZO-TFT器件结构示意图

2 结果与分析

■ 2.1 表面形貌分析

为了了解薄膜表面形貌，我们使用了英国Oxford公司生产的MFP-3D型原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)和日本电子株式会社（JEOL）生产的JSM-7610F型扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)，观 测 了ZnO、GZO薄膜的表面形貌。图2(a)、图2(b)分别是ZnO和GZO薄膜的原子力显微镜(AFM)图像，薄膜表面粗糙度分别为 941.248pm、605.588pm。与ZnO薄膜相比，GZO薄膜的表面形貌较为平整，表面粗糙度更低。由此可见，镓的掺杂能够改善ZnO薄膜的表面粗糙度。

图2

图3(a)、图3(b)分别是使用扫描电子显微镜观测到的放大5万倍的ZnO和GZO薄膜的表面形貌图。与ZnO薄膜相比，GZO薄膜晶粒更为均匀、致密，没有针孔、裂纹以及团簇现象的发生，薄膜质量有所改善。图4(a)、图4(b)是薄膜剖面图，标尺为100nm，测得薄膜厚度分别为36.5nm和33.7nm，呈柱状生长。

图4

■ 2.2 TFT器件分析

使用 Keysight公司生产的B1500A半导体参数分析仪测试GZO-TFT的电学性能。图5(a)、图6(a)是GZO-TFT以及ZnO-TFT的输出特性曲线，从图中可以看出此器件为n沟道增强型器件，具有良好的饱和特性。意味着栅极电压(VGS)能够很好地控制源漏电流(IDS)，即当VGS固定时，随着VDS增加，IDS逐渐趋于饱和，且IDS大小于VDS无关，只于VGS大小相关。饱和特性是晶体管的必要性质。同时，相比于ZnO薄膜晶体管，镓掺杂的ZnO薄膜晶体管的饱和电流有所提升。器件的开启电压大概出现在VGS=-15V，VGS=1V时。通过器件输出曲线也可以看出，在源漏电压较低时，也并未发现电流拥挤效应，表明器件中有源层和铝电极形成了良好的欧姆接触[5,6]。

图6

图5(b)、图6(b)是GZO-TFT以及ZnO-TFT在一定的源漏电压（VDS=15V）下测得的转移特性曲线以及VGS-VGS1/2曲线，此时TFT工作在饱和区。源漏电压固定在15V，随着VGS从-20V增大到40V，器件逐渐从关态到达开态。从图中看出，器件的关态电流都在10-10A数量级左右，阈值电压分别为6.0V、18.2V，亚阈值摆幅分别为2.91V·dec-1、3.56V·dec-1，开关电流比分别为1.04×106、2.73×105，迁移率分别为3.14cm2·V-1s-1、1.12cm2·V-1s-1。其电学性能参数见表2。

表2 TFTs电学性能参数

GZO-TFT的饱和迁移率（satμ）由式（1）确定：

式中 μsat单位是 cm2· V-1s-1， Ci是单位面积栅绝缘层电容，W是器件沟道宽度，L是器件沟道长度，式（2）中k是IDS1/2-VGS线中对应的斜率[9]。亚阈值摆幅SS的计算公式由式（3）确定，是分析缺陷态密度的一个重要参数：

亚阈值摆幅单位是V·dec-1，表示IDS提升一个数量级VGS的变化量[1]。亚阈值摆幅与界面态陷阱密度（Nit）有关，界面态陷阱密度（Nit）由式（4）确定：

式中Nit单位是cm-2eV-1在，q是电子电荷，kB是玻尔兹曼常数，T是测量温度[1]。

3 结论

通过磁控溅射设备沉积纯ZnO薄膜以及GZO薄膜，并成功制备出了GZO薄膜晶体管，使用AFM和SEM表征了纯ZnO薄膜和GZO薄膜，观测了其表面形貌、粗糙度以及剖面图。通过比较得出，相比于纯ZnO薄膜，氧化锌掺杂镓（Ga）之后的薄膜表面形貌较为平整，粗糙度较低，薄膜表面晶粒致密，结膜质量有所改善。同时，氧化锌掺杂镓（Ga）作为有源层，对器件的各方面性能参数也有所改善，如开关电流比提高、亚阈值摆幅减小、载流子迁移率提高等。