有源层厚度对ZnO薄膜晶体管电学性能的影响论文.docx
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有源层厚度对ZnO薄膜晶体管电学性能的影响论文
有源层厚度对ZnO薄膜晶体管电学性能的影响(论文)
华南理工大学学报(自然科学版)
第41卷第9期JournalofSouthChinaUniversityofTechnology
V01.41No.92013年9月
(NaturalScienceEdition)
September
2013
文章编号:
1000—565X(2013)09-0023—05
有源层厚度对ZnO薄膜晶体管电学性能的影响木
刘玉荣
李晓明
苏晶
(华南理工大学电子与信息学院,广东广州510640)
摘要:
为优化氧化锌薄膜晶体管(ZnO—T兀1)的工艺参数,采用射频磁控溅射法沉积
ZnO薄膜制备出不同有源层厚度的ZnO—TFTr器件,探讨了有源层厚度对ZnO.T丌电学性
能的影响.实验结果表明:
有源层厚度在65nm附近时,ZnO—TFT器件的性能最好;有源层太薄时,ZnO薄膜的结晶性差,薄膜内部存在大量孔洞和缺陷,从而导致znO-TFT器件的载流子迁移率较低,开关电流比较小;有源层太厚(大于65nm)时,ZnO.T秤的栽流子迁移率和开关电流比随有源层厚度的增加而减小,这是因为随着有源层厚度的增加,载流子在源、漏电极附近高电阻区的导电路径增加.
关键词:
薄膜晶体管;氧化锌;有源层厚度;电学性能中图分类号:
TN321+.5
doi:
10.3969/j.issn.1000-565X.2013.09.004
近年来,薄膜晶体管(TFT)在有源矩阵驱动平具有薄膜致密、溅射速率高、薄膜均匀性好、低温工板显示器领域得到了广泛的应用,而TFT半导体有艺、可大面积沉积等优点而被广泛采用.
源层的种类和性质对平板显示器的性能、制作工艺文中采用射频磁控溅射法,以高纯ZnO作溅射等方面具有重要的影响.目前,有源矩阵平板显示器靶材,在已生长SiO:
的n型硅片和相同的溅射工艺通常采用非晶硅(a—Si)或多晶硅(p—Si)作为T兀’的条件下通过控制溅射时间生长出不同厚度(t)的沟道有源层材料.然而,Si基材料的带隙较窄,对可ZnO薄膜作为有源层,制备出对应的底栅顶接触型见光敏感,在平板显示器制作过程中需要采用特殊ZnO-TFT器件,探讨了ZnO薄膜有源层厚度对ZnO—
的隔离工艺来防止发光像素对TFT性能产生的不T丌器件性能的影响及其机理.
良影响,从而使工艺的复杂度增加,成本上升,显示器的开口率降低01-3].ZnO是一种透明氧化物半导1
买验
体材料,具有带隙宽(~3.37eV)、对可见光透明、载以电阻率为0.6~1.2Q・cm、晶向为(100)的
流子迁移率相对较高、低温工艺、环境友好等优点,n+型单晶硅片为衬底并充当晶体管的栅电极,采用因此,ZnO基TFr被认为是最有希望的下一代薄膜标准硅工艺清洗硅片后,用20%(质量分数)的HF晶体管技术,得到了广泛的关注,已成为研究的热点
溶液除去硅片表面的自然氧化层,然后在1000℃下之一M。
7o.目前,人们采用多种方法(包括分子束外
通过干氧热氧化生长出厚度为163nm的SiO:
薄膜延法旧o、金属有机化学气相淀积法∽J、磁控溅射作为栅介质层,再用稀释的HF溶液擦去硅片背面法¨0|、溶胶一凝胶法¨川等)制备出不同特性的ZnO
的氧化层,接着采用射频磁控溅射法在SiO,层上生薄膜用作T盯的半导体有源层,其中磁控溅射法因
长出一层ZnO薄膜作为半导体有源层.溅射采用高
收稿日期:
2013—03—22
。
基金项目:
国家自然科学基金资助项目(61076113)
作者简介:
刘玉荣(1968・),男,博士,教授,主要从事半导体器件与物理研究.E-mail:
phlyr@scut.edu.CII
万方数据
华南理工大学学报(自然科学版)
第4l卷
纯ZnO靶材(5N),功率为70W,ZnO靶与样品的间距为65mm,Ar与0:
的流量比为1:
1,本底真空度为0.4mPa,溅射气压为0.5Pa,溅射基底温度为350℃,溅射时间分别为10、20、30、38、45rain.最后采用真空镀膜技术,在真空度为2.0mPa条件下蒸发Al形成源、漏电极,制备出具有不同有源层厚度的底栅顶
接触型结构ZnO—TFT¨2。
.器件的沟道长度(£)和沟
道宽度(形)由蒸镀时所用掩膜版的图形决定,分别
为50和600“m.
器件的沟道长度和宽度及源、漏电极面积由
BX51
M型金相显微镜测量得到,采用Agilent
4284A
型电容分析仪测量A1/ZnO/SiO:
/Si结构的电容一电压特性,进而计算出单位面积栅介质的电容C。
。
=21.6nF/cm2.ZnO—T兀’器件的电特性利用Agilent4156C型半导体参数分析仪在室温无光照的普通空气环境下进行测试.利用x射线衍射谱(XRD)和原子力显微镜(AFM)分析ZnO薄膜的结晶状况、表面形貌和晶粒大小.SiO:
栅介质层和ZnO薄膜的厚度采用
德国OceanOptics公司的Nanocalc—XR型光学薄膜测
厚仪测量,溅射时问为10、20、30、38、45min所沉积的ZnO薄膜的有源层厚度分别为20、40、65、90、1
10nm.
2结果与讨论
图1为不同有源层厚度的ZnO—T丌器件的输
出特性曲线,其中的栅电压(u。
。
)和漏电压(u。
。
)均为正偏压,说明所沉积ZnO薄膜皆为n型半导体层.从图可知,对于5种有源层厚度所制备的器件,栅极偏压均能有效控制器件的源漏电流(,。
。
),但器
件的饱和特性有所差别,有源层厚度为65nm的器
件的饱和区源漏电流非常平坦,即饱和特性最好,而偏离65nm的更薄或更厚的有源层所对应T丌器件
的饱和特性有所变差.
“、厂v
al
t=2011H1时万方数据
.,・,’一…一。
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U,s/V
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二符
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4.00
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7。
——10
1.00
0.00
U¨、/V
(e)f-110Fill3时
图1
不同有源层厚度的ZnO—T丌器件的输出特性曲线
Fig
1
Outputcharacteristic
eurves
ofZnO—TFTdeviceswitl
differentactivelaverthicknesses
第9期刘玉荣等:
有源层厚度对ZnO薄膜晶体管电学性能的影响
从图1还可以发现,在相同栅电压下,随着有源层厚度的增加,TFT样品的饱和区源漏电流先增加而后有所减小.在栅电压为40V时,有源层厚度为
65
式中:
U。
。
为阈值电压;肛为薄膜晶体管饱和区载流子的有效场效应迁移率,其计算式为
2Lk2
p
nm的器件的饱和区源漏电流最大(为14.3IJ,A),txA,有源层厚度为110nm的器件的饱和区源为进一步分析有源层厚度对ZnO—TFT器件性
2—WC—ox
(2)
有源层厚度为20nm的器件的饱和区源漏电流仅为
0.14
k为,警与u。
。
的关系曲线在线性区的斜率.根据
图2和式(1)、(2)可以计算出不同有源层厚度时所制备ZnO—TFr器件的性能参数,如表1所示.当有源层厚度较薄时,随着厚度的增加,器件的开关电流比和载流子迁移率快速增大;当有源层厚度为65nm时,器件的开关电流比和载流子迁移率达到最大,而
后继续增加有源层厚度,器件的开关电流比和载流子迁移率反而有所减小.
表1
Table1
漏电流降至4.0ixA.
能的影响,图2给出了不同有源层厚度的ZnO—TFr器件的转移特性曲线.从图可知,不同有源层厚度的
ZnO—TFTr器件的开关特性有所差异,有源层厚度为
65
nm的ZnO—TFT器件的开关电流比(,0。
/,。
盯)最大,
而有源层厚度为20nm的ZnO—TFI'器件的开关电流
比最小.
不同有源层厚度的ZnO.TFr器件的性能参数
Performance
parameters
ofZnO—TFrdeviceswith
differentactivelayerthicknesses
为揭示ZnO薄膜有源层厚度对ZnO—TFr器件
一
m0102030
4(
性能的影响机理,对相同工艺条件下沉积的不同厚度ZnO薄膜进行XRD和AFM分析.图3为不同厚度ZnO薄膜的XRD谱图.由图可看出:
随着ZnO薄膜有源层厚度的增加,(002)衍射峰逐渐增强;当ZnO薄膜有源层厚度小于或大于65nm时,除存在(002)衍射峰外,还存在明显的(100)衍射峰,然而,当ZnO薄膜有源层厚度为65nm时,(100)衍射峰基本消失,说明此时ZnO薄膜中呈现出明显的c轴
U,。
厂v:
a)对数关系
∞5
r
oO01
¨00)
oooo
一、/、
【bJ’F方根天系
仁110Illll
,=90nlllt=65nlllr=4011111,=2011111
L
L
图2不同有源层厚度的ZnO.TFT器件的转移特性曲线
Fig.2
Transfercharacteristic
curves
ofZnO—TFTdevices
l八
withdifferentactivelayerthicknesses
15
30
45
60
薄膜晶体管处于饱和状态时的饱和电流,。
。
。
。
通常可表示为
Fig.3
20/(o)
图3不同有源层厚度的ZnO薄膜的XRD谱图
XRDspectraofZnOthinfilmswithdifferentactivelayerthicknesses
‰.。
=墨‰C(%一U,h)2
万方数据
(1)
华南理工大学学报(自然科学版)第41卷
择优取向生长.通常,薄膜的晶粒大小可表示为
D=器
(3)
式中,D为晶粒尺寸,A为x射线波长,B为衍射峰的半峰宽,o为衍射入射角.针对(002)衍射峰,由式(3)可计算出不同厚度ZnO薄膜的晶粒大小,如表2所示.随着ZnO薄膜有源层厚度的增加,晶粒尺寸不断增大.但当ZnO薄膜的有源层厚度薄至20nm时,由于没有明显的(002)衍射峰,因而其晶粒大小不适合用式(3)来计算.
表2不同有源层厚度的ZnO薄膜的晶粒尺寸
Table2
GrainsizesofZnOthinfilmswithdifferentactivelayerthicknesses
t
nm
DtD3638
20・——4065
2533
90110
图4为不同厚度ZnO薄膜表面的原子力显微图,可以看出:
当ZnO薄膜有源层厚度为20nm时,晶粒尺寸较小,轮廓模糊;随着ZnO薄膜有源层厚度的增加,晶粒轮廓逐渐清晰,晶界减小,晶粒表面变得更光滑,晶粒尺寸增大,薄膜结晶性变好.这与
XRD分析结果一致.
图3和4表明,由有源层厚度为20llm的ZnO
(【1)t=90nml3j
图4
Fig.4
(eH=1
薄膜制备的ZnO—TFTr器件的载流子迁移率偏低,开关电流比偏小,这主要是由于薄膜沉积初期粒子沉积无序程度高,微观结构不稳定,结晶性差,薄膜中存在大量孔洞和缺陷,这些孑L洞聚集在晶粒边界附近¨3I,增加了晶界势垒,从而导致载流子迁移率偏低,器件性能较差.随着ZnO薄膜有源层厚度的增
加,ZnO.TFTr器件的载流子迁移率增大,器件性能变
10nmR,j"
不同有源层厚度的ZnO薄膜表面的原子力显微图
AFMimagesofthe
suI。
faceofZn()thinfilms衍t11
differentactivelavel,thicknesses
滠漏
好,这是因为薄膜中孔洞和缺陷的数量减少,微观结构趋于稳定,结晶性变好,晶粒逐渐长大,晶界势垒降低;当ZnO薄膜有源层厚度增至65nm时器件的性能最好.然而,当ZnO薄膜有源层厚度继续增加
至1
10
童l
-。
导电涛
道~,
介薹
i|jI
nm时,ZnO-T丌器件的载流子迁移率有所减
雾《“攀溪攀’攀。
÷攀繁_黉。
紫一爹
n--Si?
|
小,器件性能有所下降,这可以作如下解释:
随着
ZnO薄膜有源层厚度的增加,晶粒尺寸增大,有利于
警
载流子迁移率的提高;但由于ZnO薄膜晶体管工作于积累状态,其沟道厚度通常为几纳米,因此ZnO薄膜有源层厚度增加时,源、漏电极附近的导电路径
(见图5中高阻区厚度d)也增加¨引,载流子电子从
图5
Fig.5
ZnO—TF‘I’器件的导IU路i圣隆I
ConductivepathofZnO-TFTdevice
源极注入后在源、漏极附近需穿过更厚的高电阻区半导体层¨5J6J,从而引起源漏电流减小;另外,随着
万方数据
第9期
刘玉荣等:
有源层厚度对ZnO薄膜晶体管电学性能的影响
导电路径的增加,载流子在输运过程中受到杂质和缺陷的散射作用也有所增强m3,从而导致ZnO—TFTr器件的载流子迁移率减小,器件性能有所下降.ZnO薄膜过厚引起c轴择优取向生长的减弱也是导致器件性能下降的可能原因.
3
结论
文中以高纯ZnO为靶材,采用磁控溅射沉积ZnO薄膜制备出不同有源层厚度的ZnO—TFr器件,探讨了有源层厚度对ZnO.Tn’器件性能的影响.结
果表明:
当ZnO薄膜有源层厚度在65nm附近时,器件的性能最好;当ZnO薄膜有源层太薄时,薄膜的
沉积无序程度高,结晶性差,薄膜内部存在大量的孔洞和缺陷,从而导致器件的载流子迁移率较低,开关电流比较/b;当ZnO薄膜有源层太厚时,源、漏电极附近的高电阻区的导电路径增加,载流子需穿过更厚的高电阻区半导体层,同时载流子在输运过程中受到杂质和缺陷的散射作用也有所增强,从而导致ZnO.T盯器件的载流子迁移率减小,器件性能下降.参考文献:
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(下转第94页)
94
华南理工大学学报(自然科学版)第41卷
OrganizationandDiscoveryMechanismsofResourceServicesfor
CloudManufacturing
Zhang
Qian
Qi
De—yu
(ResearchInstituteofComputerSystems,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou
510006,Guangdong,China)
Abstract:
Inorder
user
to
effectivelyorganizethe
resource
servicesforcloudmanufacturingand
are
to
supportthecomplex
resource
search,first,thekeyattributesofrespectivelyregisteredaccording
to
resource
services
introducedinthispaper.Next,the
resource
services
are
theirkeyattributes.Then,alayered
on
serviceorganizationmodelfor
cloudmanufacturingisproposedbasedfivequerytypes
are
thedistributedhashtable,andfivediscoveryalgorithmsrespectivelyfor
are
designedbased
on
theproposedmodel.Finally,thecomplexitiesoftheproposedalgorithms
can
discussed.Simulat