环境湿度对非晶铟镓锌氧薄膜晶体管负偏压光照稳定性的影响

冯国锋，章 雯，董承远

(上海交通大学 电子工程系，上海 200240)

1 引 言

非晶铟镓锌氧薄膜晶体管(a-IGZO TFT)具有高载流子迁移率、低关态电流、低制造成本等优点[1-5]，因而有望成为下一代显示面板的驱动电子器件。然而，在a-IGZO TFT的实际应用中仍然存在比较严重的稳定性问题，即光照、气氛、偏压、湿度、温度等外界因素都会显著影响器件的电学性能[6-11]。其中，负偏压光照稳定性(NBIS)尤为关键。文献[11]报导了在红、绿、蓝光照射下a-IGZO TFT的NBIS特性并提出带正电的氧空位和空穴的产生和迁移是影响器件负偏压光照稳定性的主要因素。众所周知，环境湿度对电子器件的电学特性一般会产生比较显著的影响。近来，本课题组针对湿度影响a-IGZO TFT的正偏压稳定性(PBS)的基本规律开展了研究[12]。结果表明，随着湿度的增加，对于相同偏压时间t而言，器件阈值电压偏移量先增大后减小。这一现象的原因是当相对湿度较低时，主要发生的是背沟道中水协助氧气的吸附，会造成转移曲线正向偏移，阈值电压偏移量变大；当相对湿度较高时，主要发生背沟道对水汽的直接吸附，会造成转移特性曲线的负向偏移。另一方面，环境湿度也可能对a-IGZO TFT的NBIS稳定性产生影响，但相关规律尚无文献报道。

本文围绕不同光照和环境湿度条件针对a-IGZO TFT的NBIS稳定性展开了测试，并对其阈值电压的变化规律及相关机理进行了分析讨论，最终得出了在相对湿度逐渐增加时a-IGZO TFT的NBIS稳定性逐渐改善但器件电学特性出现了劣化趋势的结论。最后，我们结合能带理论分析，给出了上述规律的物理机理。

2 实 验

2.1 器件制备

本实验制备了倒置错排型(Inverted Staggered) a-IGZO TFT器件(图1)。基板是带有300 nm厚SiO2的p型重掺杂硅片，其中SiO2作为栅绝缘层，硅片作为栅极电极。利用金属掩模板遮挡磁控溅射沉积50 nm厚，元素In,Ga,Zn,O摩尔比为1∶1∶1∶4的a-IGZO薄膜和厚度为100 nm的氧化铟锡(ITO)薄膜，分别作为有源层和源漏电极。a-IGZO和ITO的成膜功率分别为60 W与100 W，制备气压均为400 MPa。为了尽量减少制备过程中有源层中氧空位的产生，我们在制备a-IGZO时向腔室中通入一定流量的氧气与氩气，所采用的Ar,O气体流量比为30∶1(cm3·min-1)。溅射ITO时的工作气体为氩气，流量为30 mL/min。最后对器件进行400 ℃下30 min退火处理[13]。

图1 a-IGZO TFT器件断面结构Fig.1 Schematic cross section of a-IGZO TFTs

2.2 测试方法

测试用TFT器件沟道长宽比为1 000 μm和250 μm。采用Keythley 2636半导体测试仪测试器件的转移特性。测试过程中漏极电压设置为10 V，栅极电压测试范围是-20～40 V，每隔0.5 V测量一次漏极电流。为了实现相对湿度的变化，我们将氮气通入含水的瓶中再传入腔室，再通过调整氮气流量或者水瓶中水位高低来改变腔室湿度，如图2所示。我们用湿度计实时监测腔室中湿度变化。另外，在腔室中放置一根与外部高功率氙灯光源(LS-3000UV)连接的光纤。光源可以发出持续光照，并且其波长和光强都是可调节的。测试过程中整块器件能被光照到。最后提取转移曲线的阈值电压偏移量[14]并比较不同光照以及湿度条件下器件的负偏压稳定性。

图2 实验采用过的I-V测试系统Fig.2 I-V measurement system in this study

3 结果与讨论

首先选定4组波长不同的光照进行NBIS测试，其波长值分别为450,420,400,380 nm。最大电压偏置时间为1 500 s,偏置栅极电压设置为-20 V，相对湿度设置为50%。

为了描述一定偏压时间下转移特性曲线与原始转移曲线的偏离程度，我们定义一个物理量：阈值电压偏移量：

ΔVth=Vth(0)-Vth(t)，

(1)

其中：Vth(t)是偏压时间为t时的阈值电压，Vth(0)是未施加偏压时的阈值电压，ΔVth表示偏压时间为t时的阈值电压与未施加偏压时阈值电压的差值。在分析不同湿度对器件NBIS特性影响时，我们固定光照波长为400 nm并测试5个相对湿度——10%、30%、50%、70%和90%环境下a-IGZO TFT的NBIS转移曲线。

3.1 a-IGZO TFT的NBIS稳定性

从图3可以看出，随着NBIS时间的增大，器件的ΔVth越来越大；随着光照波长的减小，a-IGZO TFT器件的负偏压光照稳定性越来越差。为了更清楚展示上述规律，我们总结了不同光照波长下器件的阈值电压偏移量与偏压时间之间的关系曲线，如图4所示。在450 nm光照条件下，a-IGZO的NBIS阈值电压偏移小于5 V；420 nm光照条件下的转移曲线虽然较450 nm有较大的变化，但是其阈值电压最大偏移量也只有6 V；但是在400 nm与380 nm的光照条件下，TFT的ΔVth均超过8 V和15 V。

图3 NBIS测试下a-IGZO TFT的转移特性曲线，光照波长为：(a) 450 nm;(b) 420 nm;(c) 400 nm;(d) 380 nm。Fig.3 Transfer curves of the a-IGZO TFTs under NBIS with various wavelengths:(a) 450 nm；(b) 420 nm；(c) 400 nm；(d) 380 nm.

图4 不同波长可见光照射下，阈值电压偏移量随NBIS时间变化的曲线Fig.4 Time dependence of the ΔVth during the NBIS tests of a-IGZO TFTs under the illumination of lights of different wavelengths

从图5可以看出，无论哪种相对湿度，ΔVth都在0～300 s内迅速增加，在300 ～1 500 s内则增长缓慢。在不同相对湿度环境下器件的ΔVth值区别非常明显。我们总结了不同相对湿度下器件的阈值电压偏移量与偏压时间之间的关系曲线，如图6所示。当相对湿度为10%时，TFT转移特性曲线的ΔVth最大，偏压1 500 s后可达到22 V。而相对湿度为30%与50%环境下的ΔVth则分别在12 V和15 V左右。当相对湿度达到70%甚至90%时，ΔVth则进一步下降到7 V和6 V 附近。由此可以看出，相对湿度的增加使a-IGZO TFT的NBIS不稳定性有所降低。但是当相对湿度为70% 以及90%时，转移特性曲线的电学特性出现了驼峰——一种电学特性劣化现象。

图5 不同相对湿度环境下a-IGZO TFT的NBIS测试结果。(a)10%；(b) 30%；(c)50%；(d)70%；(e)90%。Fig.5 Transfer curves of a-IGZO TFT as a function of the NBIS time under RH of (a) 10%,(b) 30%,(c) 50%,(d) 70%,and (e) 90%.

图6 400 nm光照条件、不同相对湿度变化下，阈值电压偏移量随NBIS时间变化的曲线。Fig.6 Time dependence of the ΔVth during the NBIS tests of a-IGZO TFTs in different relative humidity under the ilumination of light of 400 nm.

3.2 机理分析

如图7(a)所示，当光照射到氧化物TFT器件时会在其有源层发生如下反应[15]：

图7 氧化物TFT在NBIS测试时的能带图。(a)考虑光照波长因素;(b)考虑相对湿度因素。Fig.7 Energy band diagram of a-IGZO TFTs under NBIS considering.(a) Wavelength of light；(b) Relative humidity.

(2)

E=hc/λ，

(3)

其中：E是光子的能量，h是普朗克常数，c是光速，λ是光照波长。根据式(3)可计算出a-IGZO价带中电子跃迁到导带需要的最大光波波长是406 nm，因此400 nm和380 nm波长光照下会有大量电子从价带跃迁到导带，产生电子空穴对，从而使器件的NBIS特性变得非常不稳定(图7(a))。

随着相对湿度的提高，a-IGZO TFT的阈值电压偏移愈来愈小(图6)。但是在高湿度的测试情况下也出现了器件电学特性劣化的现象。一方面，由于相对湿度的提高，腔室中的水汽与背沟道发生了反应，水汽贡献出部分电子[16-17]，其反应如公式(4)所示。

H2O=H2O++e-，

(4)

4 结 论