沟道长度对IGZO薄膜晶体管性能的影响

1、    沟道长度对igzo薄膜晶体管性能的影响    刘璐 高晓红 孟冰 付钰 孙玉轩 王森 刘羽飞 胡顶旺摘要：在室温条件下采用射频磁控溅射的方法在热氧化sio2衬底上生长igzo薄膜作为有源层，并将其制备为薄膜晶体管器件.研究不同的沟道长度对igzo薄膜晶体管电学性能的影响.使用场发射扫描电子显微镜（sem）表征igzo薄膜的厚度，使用原子力显微镜（afm）表征薄膜的表面形貌.实验结果表明，沟道长度对igzo薄膜晶体管有着重要影响.当沟道长度为10m时，igzo薄膜晶体管的开关电流比达到1.07×108，载流子迁移率为3.81cm2/v，阈

2、值电压为27v，亚阈值摆幅为2v/dec.关键词：igzo;薄膜晶体管;磁控溅射;沟道长度中图分类号：tb383       文献标识码：a文章编号：1009-3044（2021）26-0138-03开放科学（资源服务）标识码（osid）：the influence of channel length on the performance of igzo thin film transistorsliu lu， gao xiao-hong， meng bing， fu yu， sun yu-xuan， wang sen， liu yu-fei， hu d

3、ing-wang（jilin jianzhu university， changchun 130119， china）abstract： at room temperature， using rf magnetron sputtering method to grow igzo thin film as active layer on thermally oxidized sio2 substrate， and prepare it into thin film transistor device. study the influence of different channel length

4、 on the electrical performance of igzo thin film transistor use the field emission scanning electron microscope （sem） to characterize the thickness of the igzo film， and use the atomic force microscope （afm） to characterize the surface morphology of the film. the experimental results show that the c

5、hannel length has an important influence on the igzo thin film transistor. when the channel length is 10 m， the switching current ratio of the igzo thin film transistor reaches 1.07×108， the carrier mobility is 3.81 cm2/v， and the threshold voltage is 27v ， the sub-threshold swing is 2v/dec.key

6、 words： igzo; thin film transistors; magnetron sputtering; channel length金屬氧化物半导体场效应晶体管近年来在高帧速、大尺寸、超高清晰平板显示器中引起广泛关注.与传统的非晶硅薄膜晶体管相比，金属氧化物基薄膜晶体管具有理想的场效应迁移率、较好的均匀性和稳定性和低工艺温度等优点1， 2，能够满足有源矩阵有机发光二极管显示器高驱动电流的基本要求.金属氧化物半导体材料中，非晶氧化铟镓锌（igzo）的性能最为突出，因此备受研究者们的关注3。igzo是一种n型半导体，带隙在3.5ev左右， 其组分中的in具有特别的外层电子结构会通过s

7、轨道的重叠来运输载流子4，有利于载流子的高速运输;ga的掺入可以实现抑制薄膜晶体管沟道层中氧空位等本征缺陷，实现对载流子的调控. 2004年东京工业大学的hosono等人首次报道了在室温条件下成功生长铟镓锌氧化物（igzo）薄膜并应用于制备tft器件，此后以igzo为有源层的薄膜晶体管受到学术界和工业界越来越多的关注5-6。本文使用射频磁控溅射方法在室温下沉积igzo薄膜作为有源层，并制备成不同沟道长度的tft器件，使用原子力显微镜（afm）和场发射扫描电子显微镜（sem）表征薄膜，利用半导体参数测试仪测试器件的电学性能，研究不同的沟道长度对igzo薄膜晶体管 开关电流比、阈值电压、场效应迁移

8、率、亚阈值摆幅的影响。1 实验实验使用表面生长有100nm热氧化sio2为介电层的si片作为衬底，将基片首先在丙酮中使用超声波清洗10min，再将基片在无水乙醇中超声波清洗10min，最后将基片在去离子水中超声波清洗10min.沉积igzo有源层使用的是kurtj. lesker的pvd 75型磁控溅射设备，溅射靶材使用的是igzo陶瓷靶，薄膜沉积之前，预溅射10min达到清楚靶材表面的杂质， 生长温度为室温，溅射功率为100w，溅射压强为8mtorr，在氩气下生长15min.将生长完成的薄膜进行湿法光刻，光刻沟道长度分别为10m、30m、60m、90m，采用电子束蒸发设备蒸镀al作为器件的源

9、漏电极，制备成tft器件。igzo-tft器件的结构为底栅结构，器件结构示意图如图1。2 结果与讨论2.1 薄膜表面分析igzo薄膜的表面形貌对tft器件的性能有着重要影响，因此我们用扫描电子显微镜（sem）和原子力显微镜（afm）对沉积完成的igzo薄膜进行表征。使用扫描电子显微镜表征薄膜的剖面得到薄膜的厚度.图2为使用扫描电子显微镜观察到的igzo薄膜剖面图.使用射频磁控溅射设备生长15min的igzo薄膜厚度为47.8nm。使用扫描电子显微镜观察到的igzo薄膜的表面，图3为igzo薄膜表面sem图.放大倍数为10k，可以观察到igzo薄膜表面形貌比较均匀，颗粒排列也比较致密，未出现团簇

10、或孔隙现象。使用原子力显微镜（afm）观察薄膜的表面形貌，图4为薄膜的afm图.表征结果显示薄膜的表面粗糙度（rms）较低，仅为639.141pm.表明使用射频磁控溅射设备制备的igzo薄膜质量较好。2.2 tft器件分析图5为不同沟道长度所对应的igzo-tft器件的输出曲线。由图5可以看出， ids随vds的增大而增大，这说明制备的igzo薄膜晶体管是典型的n沟道场效应薄膜晶体管，工作在增强型模式.制备的igzo-tft器件具有良好的栅压调制作用和饱和特性.当工作在低栅压区域时并没有发生电流拥挤现象，说明使用电子束蒸发设备蒸镀的al电极和igzo有源层形成了良好的欧姆接触.器件的输出性能随

11、着沟道长度的减小而提高，沟道长度为90m时，给器件施加栅极电压vgs为40v，源漏电压vds为20v，器件的源漏电流ids为8.03a.当沟道长度为10m时器件的输出性能最好，源漏电流ids达到76.29a。图6为不同沟道长度igzo-tft的转移曲线，vds为10v。薄膜晶体管的电学性能参数主要包括阈值电压、亚阈值摆幅、开关电流比和载流子迁移率，经过计算不同沟道长度igzo-tft的电学性能参数如表1所示。场效应迁移率（）是指载流子在单位电场作用下的平均漂移速度，迁移率的数值越高代表在单位时间内经过的载流子数量越多.场效应迁移率的计算满足以下关系：ids=wci2lvgs-vth2 

12、;                         （1）式中：表示迁移率;w和l分别表示沟道宽度和长度;ci表示绝缘层单位面积的电容.场效应迁移率一般认为与带尾态和界面态有关.10m沟道长度的器件场效应迁移率为2.81 cm2/vs，90m沟道长度的器件场效应迁移率为2.39 cm2/vs，可以看出不同沟道长度igzo-tft器件的场效应迁移率变化不大，这可以归因于场效应迁移率是界面态密度的函数，沟道长度不影响场效应迁移率。薄膜晶体管的阈值电压定义为沟道层中费米能级从深能级

13、态进入带尾态瞬间所对应的vgs值.当制备的tft器件沟道长度从10m增加到90m时，阈值电压从27v增加到30v， igzo-tft的阈值电压随着沟道长度的增加而增大.这可以归因于随着沟道长度的增加，载流子在漂移过程中被捕获的概率随之增加，载流子密度降低造成阈值电压增大7.载流子密度降低也会造成源漏电流ids增长变慢，造成亚阈值摆幅增大。开关电流比是指tft器件的开态电流与关态电流的比值，在制备的不同沟道长度的igzo-tft器件中，10m沟道的器件电流开关闭最好达到1.07×108.制备的tft器件的沟道长度变化时，器件的关态电流保持在2pa左右.而随着沟道长度的增加器件的开态电流

14、变小，沟道长度为10m时，器件的开态电流达到215.16a，而沟道长度为90m时，器件的开态电流为14.60a。3 结论本文在室温下采用射频磁控溅射设备沉积igzo薄膜作为有源层，制备出不同沟道长度的tft器件，研究不同沟道长度对igzo-tft器件電学性能的影响.实验结果表明，不同的沟道长度对tft器件的电学性能存在重要影响.当沟道长度为10m时，tft取得最佳的电学性能，开关电流比达到1.07×108，在饱和区的场效应迁移率为2.81cm2/vs，阈值电压为27v，亚阈值摆幅为2v/dec。参考文献：1 yao j k，xu n s，deng s z，et al.electric

15、al and photosensitive characteristics of a-igzo tfts related to oxygen vacancyj.ieee transactions on electron devices，2011，58（4）：1121-1126.2 刘冲. 铟镓锌氧薄膜晶体管的制备及其性能研究d：成都：电子科技大学，2015.3 li y，pei y l，hu r q，et al.effect of channel thickness on electrical performance of amorphous igzo thin-film transistor

16、 with atomic layer deposited alumina oxide dielectricj.current applied physics，2014，14（7）：941-945.4 郭倩倩. a-igzo薄膜晶体管的制备及温度特性研究d.太原：中北大学，2019.5 yoo h，tak y j，kim w g，et al.correction：a selectively processible instant glue passivation layer for indium gallium zinc oxide thin-film transistors fabricated at low temperaturej.journal of materials chemistry c，2018，6（38）：10376.6 蔡旻熹，姚若河.双栅非晶ingazno薄膜晶体管有源层厚度对电学性能的影响j.华南理工大学学报（自然科学版），2016，44（9）：61-66，72.7 kang d h，ung han j，mativenga m，et al.threshold voltage dependence on channel