退火温度对ZnO薄膜晶体管电特性的影响*

刘玉荣 任力飞 杨任花 韩静 姚若河 温智超 徐海红 许佳雄

(1.华南理工大学电子与信息学院，广东广州510640;2.华南理工大学广东省短距离无线探测与通信重点实验室，广东广州510640;3.华南理工大学 物理系，广东 广州510640)

薄膜晶体管(TFT)因在平板及柔性显示、集成传感器等领域具有广阔的应用前景而受到广泛的关注［1-3］.目前，TFT 器件主要包括非晶硅 TFT［4］、多晶硅 TFT［5］、有机 TFT［6-7］和氧化物 TFT［8］.非晶硅TFT具有制备温度低、成本低廉等特点，但其载流子迁移率相对较低(小于1 cm2/(V·s)).多晶硅TFT的载流子迁移率虽通常比非晶硅TFT高近两个数量级，但因其较高的工艺温度而导致其在玻璃或柔性塑料基底上成膜困难，从而使得器件的制备成本相对昂贵.在有机TFT中，基于可溶性有机材料的TFT因具备机械性能好、热稳定性高、成膜方法简单经济以及特别适合于制备大面积器件等特点而更具应用潜力，但其载流子迁移率通常小于1 cm2/(V·s)，而且有机器件目前还存在稳定性较差、寿命短、环境不友好等缺陷，从而限制了其实际应用.另外，硅基TFT和有机TFT普遍对可见光较为敏感，在显示技术领域应用中影响开口率，且会增加工艺的复杂性.与硅基TFT和有机TFT相比，ZnO基TFT因具有高迁移率、可见光透明、环境友好等优势而在平板显示的应用中可获得更大的驱动电流和更高的开口率.ZnO有源层的制备及特性对ZnO基TFT器件性能起决定性作用.目前，ZnO有源层的制备方法包括脉冲激光沉积法［9］、射频磁控溅射法［10-11］、原子层沉积法［12］、化学气相沉积法［13］和反应电子束蒸发法［14］等.其中采用磁控溅射法制备出的有源半导体层因能兼顾高迁移率、面积大等优点而被广泛采用.然而，目前采用ZnO作溅射靶沉积的ZnO薄膜普遍存在大量的氧穴位，导致 ZnO-TFT呈现出不稳定性.

文中以高纯Zn作溅射靶，采用反应溅射法生长ZnO薄膜制备底栅顶接触型ZnO-TFT器件，在不同温度下对ZnO薄膜进行退火处理，研究退火温度(t)对ZnO-TFT器件性能的影响及其机理.

1 实验

以电阻率为0.6 ～1.2 Ω·cm、晶向为 (100)的n+型单晶硅片作衬底和栅(G)电极，采用标准硅平面工艺清洗硅片后，用20%(体积分数)的HF溶液除去硅片表面的自然氧化层，然后采用热氧化法生长SiO2薄膜作为栅介质层，用稀释的HF溶液擦去硅片背面的氧化层后，采用磁控溅射法在SiO2层上沉积一层ZnO薄膜作为半导体活性层.溅射时采用高纯Zn(纯度为99.99%)作为靶材，射频功率为60W，基底温度为300℃，Ar与O2的流量比为6∶5，溅射前反应室真空度为4×10－4Pa，溅射时反应室气压为0.5Pa，溅射时间为80 min.ZnO沉积后将基片置于N2保护气氛下退火处理1h，退火温度分别为500、600和700℃，最后采用真空镀膜技术通过掩膜版，在真空度为2×10－3Pa条件下蒸发Al形成源(S)、漏(D)电极，制备出底栅顶接触型ZnO-TFT，器件结构剖面如图1所示.ZnO-TFT器件的沟道长度(L)与宽度(b)由所用掩膜版图形来确定，分别为30和400μm.利用BX51M金相显微镜(日本奥林巴斯公司)测量电极面积，Agilent 4284A电容分析仪(美国安捷伦公司)测量Al/ZnO/SiO2/Si结构的电容－电压特性，从而计算出单位面积栅介质电容(Cox)，为2.6 ×10－8F/cm2.ZnO-TFT 器件的电特性利用Agilent 4156C半导体参数分析仪(美国安捷伦公司)及CASCADE RF-1探针台(美国CASCADE公司)组成的测试系统进行测试，器件特性测试在室温无光照的普通空气环境下实现.

图1 ZnO-TFT器件结构剖面图Fig.1 Cross section view of ZnO-TFT device

文中采用CPSM4000S型原子力显微镜(AFM，广州本原纳米仪器有限公司)观察ZnO薄膜的表面形貌，分析晶粒大小;用D8 Advance型X射线衍射仪(XRD，德国布鲁克公司)分析ZnO薄膜的结晶状况;运用Axis uHru DCD型X射线光电子能谱仪(XPS，英国克雷斯托公司)分析ZnO薄膜中的元素组分.

2 结果与讨论

2.1 ZnO薄膜的特性

图2 不同温度下退火处理后的ZnO薄膜的AFM形貌Fig.2 AFM images of the surface of ZnO films annealed at different temperatures

不同温度下退火处理后ZnO薄膜的AFM形貌如图2所示，退火时间为1h.从图2可知，随着退火温度的升高，ZnO薄膜的晶粒直径逐渐增大，由原子力显微镜的相应软件分析得到平均晶粒直径先由500℃的61.7nm增加到600℃的73.8nm，然后增加到700℃的98.1nm.由图2还可看出，随着退火温度的升高，晶粒外形更为规整，颗粒尺寸更加均匀，表面变得更为光滑.

图3给出了不同温度下退火处理后ZnO薄膜的XRD谱图.由图3可明显看出:500℃下退火处理后的ZnO薄膜的XRD谱存在一个很强的(100)晶面衍射峰，而(002)晶面衍射峰相对较弱;当退火温度升高时，(100)晶面衍射峰变弱甚至消失，而(002)衍射峰明显增强.这说明低温下退火处理ZnO薄膜主要以(100)方向作为择优取向晶面，高温下退火处理则主要以(002)方向为择优取向晶面.随着退火温度的升高，(002)衍射峰的半高峰宽逐渐减小，说明ZnO薄膜中的晶粒尺寸随退火温度的升高而增大.

图3 不同温度退火处理后ZnO薄膜的XRD谱图Fig.3 XRD spectrums of ZnO films annealed at different temperatures

2.2 ZnO薄膜晶体管的电特性

图4给出了3种不同温度下退火处理的ZnOTFT器件的输出特性曲线，退火时间为1 h.从图4可知:栅电压(UGS)和漏电压(UDS)均为正偏压，说明所沉积ZnO薄膜为n型半导体层;不同温度下退火处理的样品的饱和行为存在一定的差异，700℃下退火处理的样品的饱和行为明显优于500和600℃下处理的样品.这可以解释为:对工作于积累状态下的ZnO-TFT，在开态下漏电流(IDS)由沟道电流和本体电流两部分构成，所以本体电阻增大有利于改善漏电流的饱和特性，由图5可知，较高温度下退火的样品，在零栅电压下漏电流明显减小，即ZnO薄膜的本体电阻增大，故饱和特性有所改善.从图4还可以看出，在相同的栅电压下饱和区漏电流随退火温度的升高而明显增加，在栅电压为50V时，对于500℃下退火的样品，其饱和区漏电流仅为100μA;而对于700℃下退火的样品，其饱和区漏电流高达915μA，这主要是由于ZnO薄膜质量改善而引起迁移率提高所致的.

图4 不同温度下退火处理的ZnO-TFT的输出特性曲线Fig.4 Output characteristics of ZnO-TFT devices subjected to annealing at different temperatures

为进一步分析退火温度对ZnO-TFT器件性能参数的影响，图5给出了3种不同温度下退火处理的ZnO-TFT器件的转移特性曲线.由图5可知，晶体管呈现出开关特性，栅电压能控制漏电流的变化，当栅偏压加负向电压且不断增加时，漏电流无明显增加，晶体管处于关断状态，而当栅偏压加正向电压且不断增加时，晶体管进入开通状态.对于薄膜晶体管而言，晶体管处于饱和状态时的饱和电流ID，sat通常可表示为

图5 不同温度下退火处理的ZnO-TFT的转移特性曲线Fig.5 Transfer characteristics of ZnO-TFT devices subjected to annealing at different temperatures

式中，μeff为薄膜晶体管的饱和区载流子有效场效应迁移率，UT为阈值电压.因此，器件的有效场效应迁移率可从与U变化关系并通过式(2)求得:GS

表1 不同温度退火处理后ZnO-TFT的主要性能参数Table 1 Main performance parameters of ZnO-TFT devices subjected to annealing at different temperatures

从表1可知，随着ZnO薄膜退火温度的升高，ZnO-TFT的有效场效应迁移率明显提高.结合前文分析可知，这主要是因为随着退火温度的升高，ZnO薄膜的晶粒尺寸增大以及晶粒表面更为光滑.另外还发现，尽管500℃下退火处理的ZnO薄膜出现较强的(100)衍射峰，呈现出较强的(100)方向的结晶择优取向(见图3)，但对应的ZnO-TFT的有效场效应迁移率却相对较低，这表明控制 ZnO薄膜沿(002)方向择优生长有利于提高ZnO-TFT迁移率.从表1还可知，随着退火温度的升高，阈值电压明显减小，在测量范围内的开关电流比明显提高.通过XPS分析发现，700℃下退火处理后的ZnO薄膜中的O、Zn原子比(2∶1)明显小于500℃下退火处理后的ZnO薄膜中的O、Zn原子比(4∶1)，这些偏离化学计量比的过剩氧在ZnO薄膜中引入缺陷态，从而引起阈值电压和关态电流的增加，致使阈值电压随退火温度升高而减小.开关电流比之所以随退火温度的升高而增加，一方面是由于迁移率的增大，另一方面是由于关态电流的减小.

值得注意的是，从图5可知，3种退火温度所制备的ZnO-TFT的关态电流都相对过大，最小的关态电流高达4.4 μA.过大的关态电流一方面来源于ZnO薄膜中的过剩氧所引入的缺陷态，另一方面与沟道区之外ZnO薄膜的寄生电阻效应有关.当晶体管处于关断状态时，沟道区之外的寄生电阻与耗尽状态下的沟道电阻并联，此时这个寄生电阻对沟道电阻起到短路作用，从而呈现出相对高的关态电流.因此，可以通过减小ZnO薄膜中的缺陷态和对沟道区之外的ZnO薄膜进行刻蚀处理来实现ZnO-TFT关态电流的减小.

3 结语

文中以硅单晶片作衬底，采用磁控溅射沉积ZnO薄膜成功地制备出了ZnO-TFT，在不同温度下对ZnO薄膜进行退火处理来改善ZnO-TFT的电特性.结果表明，随着退火温度的升高，阈值电压减小，开关电流比升高，迁移率增大，700℃退火的样品迁移率达8.00 cm2/(V·s).这是因为随退火温度的升高ZnO薄膜的晶粒尺寸增大且更均匀，晶粒外形更规整，晶粒表面更光滑，氧含量更少.然而，较高的退火温度与玻璃和塑料基底不兼容，不利于低成本的应用需要，因此低温下制备高性能ZnO-TFT将是下一步研究的重点.

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