有源层厚度对ZnO薄膜晶体管电学性能的影响论文.docx

1、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） 第卷第期 年月 （） 文章编号：（） 有源层厚度对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） 摘要：为优化氧化锌薄膜晶体管（兀）的工艺参数，采用射频磁控溅射法沉积 薄膜制备出不同有源层厚度的器件，探讨了有源层厚度对丌电学性 能的影响实验结果表明：有源层厚度在附近时，器件的性能最好；有源层太薄时，薄膜的结晶性差，薄膜内部存在大量孔洞和缺陷，从而导致器件的载流子迁移率较低，开关电流比较小；有源层太厚（大于）时，秤的栽流子迁

2、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： ： 近年来，薄膜晶体管（）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：的型硅片和相同的溅射工艺通常采用非晶硅（）或多晶硅（）作为兀的条件下通过控制溅射时间生长出不同厚度（）的沟道有源层材

3、料然而，基材料的带隙较窄，对可薄膜作为有源层，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器件，探讨了薄膜有源层厚度对 的隔离工艺来防止发光像素对性能产生的不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是一种透明氧化物半导 买验 体材料，具有带隙宽（）、对可见光透明、载以电阻率为、晶向为（）的 流子迁移率相对较高、低温工艺、环境友好等优点，型单晶硅片为衬底并充当晶体管的栅电极，采用因此，基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（质量分数）的晶体管技术，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

4、，然后在下之一。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的：薄膜延法旧、金属有机化学气相淀积法、磁控溅射作为栅介质层，再用稀释的溶液擦去硅片背面法、溶胶一凝胶法川等）制备出不同特性的 的氧化层，接着采用射频磁控溅射法在，层上生薄膜用作盯的半导体有源层，其中磁控溅射法因 长出一层薄膜作为半导体有源层溅射采用高 收稿日期： 。基金项目：国家自然科学基金资助项目（） 作者简介：刘玉荣（），男，博士，教授，主要从事半导体器件与物理研究： 万方数据 华南理工大学学报（自然科学版） 第卷 纯靶材（），功率为，靶与样品的间距为，与：的流量比为：，本底真空度为，溅射气压为，溅射基底温度

5、为，溅射时间分别为、最后采用真空镀膜技术，在真空度为条件下蒸发形成源、漏电极，制备出具有不同有源层厚度的底栅顶 接触型结构。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 为和“ 器件的沟道长度和宽度及源、漏电极面积由 型金相显微镜测量得到，采用 型电容分析仪测量：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。兀器件的电特性利用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射线衍射谱（）和原子力显微镜（）分析薄膜的结晶状况、表面形貌和晶粒大小：栅介质层和薄膜的厚度采用 德国公司的型光学薄膜测 厚仪测量，溅射时问为、所沉积的薄膜的有源层厚度分别为、 结

6、果与讨论 图为不同有源层厚度的丌器件的输 出特性曲线，其中的栅电压（。）和漏电压（。）均为正偏压，说明所沉积薄膜皆为型半导体层从图可知，对于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，而偏离的更薄或更厚的有源层所对应丌器件 的饱和特性有所变差 “、厂 时万方数据 ，一一。一一。一一一 ， ， ， 一一一一一一一 如 氓：厂 鼍专 ：；： 毒， ， ， 荔 二符 ！ 。时 一一一一一一。一一。，一 卜 。，烈 一一一 ，一一一一毒 ， 。 、 （）时 图 不同有源层厚度的丌器件的输

7、出特性曲线 第期刘玉荣等：有源层厚度对薄膜晶体管电学性能的影响 从图还可以发现，在相同栅电压下，随着有源层厚度的增加，样品的饱和区源漏电流先增加而后有所减小在栅电压为时，有源层厚度为 式中：。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 的器件的饱和区源漏电流最大（为，），有源层厚度为的器件的饱和区源为进一步分析有源层厚度对器件性 （） 有源层厚度为的器件的饱和区源漏电流仅为 为，警与。的关系曲线在线性区的斜率根据 图和式（）、（）可以计算出不同有源层厚度时所制备器件的性能参数，如表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

8、厚度为时，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 漏电流降至 能的影响，图给出了不同有源层厚度的器件的转移特性曲线从图可知，不同有源层厚度的 器件的开关特性有所差异，有源层厚度为 的器件的开关电流比（，。，。盯）最大， 而有源层厚度为的器件的开关电流 比最小 不同有源层厚度的器件的性能参数 为揭示薄膜有源层厚度对器件 一 （ 性能的影响机理，对相同工艺条件下沉积的不同厚度薄膜进行和分析图为不同厚度薄膜的谱图由图可看出：随着薄膜有源层厚度的增加，（）衍射峰逐渐增强；当薄膜有源层厚度小于或大于时，除存在（）衍射峰外，还存在明

9、显的（）衍射峰，然而，当薄膜有源层厚度为时，（）衍射峰基本消失，说明此时薄膜中呈现出明显的轴 ，。厂：）对数关系 ） 一、 【方根天系 仁 ， 图不同有源层厚度的器件的转移特性曲线 八 薄膜晶体管处于饱和状态时的饱和电流，。 通常可表示为 （） 图不同有源层厚度的薄膜的谱图 。墨（一，） 万方数据 （） 华南理工大学学报（自然科学版）第卷 择优取向生长通常，薄膜的晶粒大小可表示为 器 （） 式中，为晶粒尺寸，为射线波长，为衍射峰的半峰宽，为衍射入射角针对（）衍射峰，由式（）可计算出不同厚度薄膜的晶粒大小，如表所示随着薄膜有源层厚度的增加，晶粒尺寸不断增大但当薄膜的有源层厚度薄至时，由于没有明显

10、的（）衍射峰，因而其晶粒大小不适合用式（）来计算 表不同有源层厚度的薄膜的晶粒尺寸 图为不同厚度薄膜表面的原子力显微图，可以看出：当薄膜有源层厚度为时，晶粒尺寸较小，轮廓模糊；随着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 分析结果一致 图和表明，由有源层厚度为的 （【） 图 （ 薄膜制备的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，这些孑洞聚集在晶粒边界附近，增加了晶界势垒，从而导致载流子迁移率偏低，器件性能较差随着薄膜有源层厚度的增 加，器

11、件的载流子迁移率增大，器件性能变 ， 不同有源层厚度的薄膜表面的原子力显微图 。（）衍 ， 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；当薄膜有源层厚度增至时器件的性能最好然而，当薄膜有源层厚度继续增加 至 童 。 导电涛 道， 介薹 时，丌器件的载流子迁移率有所减 雾“攀溪攀攀。攀繁黉。紫一爹 ？ 小，器件性能有所下降，这可以作如下解释：随着 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，因此薄膜有源层厚度增加时，源、漏电极附近的导电路径 （见图中高阻区厚

12、度）也增加引，载流子电子从 图 器件的导路圣隆 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，从而引起源漏电流减小；另外，随着 万方数据 第期 刘玉荣等：有源层厚度对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，从而导致器件的载流子迁移率减小，器件性能有所下降薄膜过厚引起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 结论 文中以高纯为靶材，采用磁控溅射沉积薄膜制备出不同有源层厚度的器件，探讨了有源层厚度对器件性能的影响结 果表明：当薄膜有源层厚度在附近时，器件的性能最好；当薄膜有源层太薄时，薄膜的 沉积无序程度高，结晶性差，薄膜内

13、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；当薄膜有源层太厚时，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，从而导致盯器件的载流子迁移率减小，器件性能下降参考文献： ， 叩 ， （）： ， ，（）： ， ，（）： ， 一 ，（）： ， ，（）： ， ，（）： 万方数据 ， ， ，（）： ， ，（）： ， ， ，（）： ， ， ，（）： ， ，（）： 刘玉荣，任力飞，杨任花，等退火温度对薄膜晶体管电特性的影响华南理工大学学报：自然科学版，（）： ， ：， ，（）： 田民波薄膜技术与薄膜材料北京：清华大学出版社，： ， ， ，（）： ， ：， ，（）： ， ，（）： ， （）： ， ，（）： （下转第页） 华南理工大学学报（自然科学版）第卷 （， ，） ： ， ， ， ， ，