Mo的濺射功率對MoZnO薄膜晶體管性能的影響

付 鈺，高曉紅，孟 冰，王 森，孫玉軒

吉林建筑大學(xué) 電氣與計算機學(xué)院,長(cháng)春 130118

薄膜晶體管(TFT)作為平板顯示領(lǐng)域的主要開(kāi)關(guān)器件之一.TFT的有源層材料對其性能的影響舉足輕重,在其歷史演變中主要有硅基TFT[1]、有機TFT[2]和金屬氧化物TFT[3]等幾種.而氧化鋅(ZnO)是一種可以應用于光電子學(xué)領(lǐng)域的潛在有源層材料,尤其是可應用于光伏器件、氣體傳感器和薄膜晶體管等領(lǐng)域.它具有無(wú)毒,較寬的光學(xué)帶隙和較高的光學(xué)透過(guò)率等優(yōu)點(diǎn).也由于這些優(yōu)越的特性,近年來(lái)人們通過(guò)摻雜的手段研究了在氧化鋅薄膜中摻雜如鋁(Al)、銅(Cu)、鎵(Ga)、鉬(Mo)、鈦(Ti)等金屬,來(lái)改善ZnO薄膜晶體管的電學(xué)性能并使其可以應用于光電探測領(lǐng)域[4].然而某些金屬成本較高或者對人體有害,為了解決這些問(wèn)題,有些學(xué)者發(fā)現在ZnO中摻雜Mo以實(shí)現更高的性能.如Zhao等[5]人采用磁控濺射技術(shù)制備了Mo摻雜IZO TFT,發(fā)現當Mo的含量為2.9 %時(shí)，場(chǎng)效應遷移率為2.62 cm2/Vs,電流開(kāi)關(guān)比為106.Peng等[6]人通過(guò)磁控濺射技術(shù)制備的Mo摻雜ZTO TFT,發(fā)現了當Mo的含量為3 %時(shí),場(chǎng)效應遷移率達到了26.53 cm2/Vs,電流開(kāi)關(guān)比達到了106,都得出了Mo的摻雜可以減少溝道層中的氧空位,Mo作為摻雜劑可以抑制載流子從而降低了關(guān)態(tài)電流的結論.目前,有關(guān)MoZnO TFTs的研究相對較少,更多的是有關(guān)MoZnO導電薄膜的研究發(fā)現Mo摻雜到ZnO中的優(yōu)勢在于Mo的離子半徑約為0.62?(Mo6+)、0.66?(Mo4+)略小于0.74?(Zn2+),使鉬離子替代鋅離子存在可能性;具有較高熱穩定性的Mo在摻雜后也可使MoZnO薄膜的熱穩定性得到進(jìn)一步的增強;此外,因為與Zn2+相比較高的價(jià)態(tài)差,可以提供較多的載流子來(lái)減少離子散射效應[7].在本工作中,利用磁控濺射的方法制備了MoZnO TFTs,測試了器件的電學(xué)性能.為了進(jìn)一步了解其光電特性,進(jìn)行了多個(gè)光周期下的動(dòng)態(tài)響應測試.

本研究是在p-Si片上制備的MoZnO TFT器件,在襯底與有源層之間還有一層100 nm厚的SiO2作柵絕緣層.制備工藝主要分為3個(gè)步驟.步驟如下:

(1) 用磁控濺射的方法分別沉積了ZnO薄膜和Mo的濺射功率分別為3 W,6 W,9 W的MoZnO薄膜作為有源層,厚度為50 nm.磁控濺射的參數設置為:氧氬比為75:25,壓強為12 mTorr,ZnO的濺射功率為150 W.

(2) 使用光刻機對生長(cháng)好的薄膜曝光,再進(jìn)行顯影,對樣品進(jìn)行圖案化.

(3) 通過(guò)電子束蒸發(fā)(E-Beam)的方法在生長(cháng)上金屬Al的源漏電極,厚度設置為50 nm,然后剝離即可得到薄膜晶體管器件.

在室溫下測試ZnO TFT和MoZnO TFTs的電學(xué)性能及多個(gè)光周期下的動(dòng)態(tài)響應(入射光波長(cháng)為365 nm).

圖1為ZnO TFT和濺射功率為3 W,6 W,9 W的MoZnO TFTs的轉移特性曲線(xiàn).ZnO TFT和MoZnO TFTs的主要電學(xué)參數見(jiàn)表1.其中,閾值電壓和場(chǎng)效應遷移率是在IDS1/2和VGS線(xiàn)性外推中提取出來(lái)的[8].由圖可以發(fā)現,ZnO TFT和濺射功率為3 W,6 W,9 W的MoZnO TFTs的開(kāi)態(tài)電流分別為8.52×10-6A,1.99×10-4A,2.23×10-6A,1.06×10-6A.當Mo摻雜到ZnO中時(shí),器件的開(kāi)態(tài)電流提高了將近2個(gè)數量級,但隨著(zhù)濺射功率的增強,開(kāi)態(tài)電流又回降至10-6.不同條件下的關(guān)態(tài)電流分別為9.91×10-11A,5.89×10-12A,3.26×10-11A,3.61×10-11A,說(shuō)明Mo摻雜到ZnO中后,關(guān)態(tài)電流先降低再升高.這意味著(zhù)Mo的濺射功率為3 W時(shí)制備的薄膜晶體管器件具有較強的驅動(dòng)能力且能耗較低.電流開(kāi)關(guān)比隨著(zhù)Mo濺射功率的增長(cháng)呈現先增加再降低的趨勢,在Mo的濺射功率超過(guò)3W后,電流開(kāi)關(guān)比明顯降低.MoZnO TFTs的閾值電壓在Mo摻雜到ZnO中后從負值提高到了正值.亞閾值擺幅在摻雜后先呈下降趨勢,在Mo濺射功率升高后,又呈上升趨勢.載流子遷移率隨著(zhù)Mo濺射功率的增強從0.546 cm2/Vs升高到了2.78 cm2/Vs再降至0.201 cm2/Vs,載流子遷移率的提高是由于Mo6+和Mo4+取代Zn2+時(shí),可以提供更多的自由電子作為載流子在溝道中流通[9].此外,在MoZnO薄膜中引入Mo元素還可以有效抑制有源層中的氧空位.但隨著(zhù)Mo濺射功率的進(jìn)一步增大,存在于間隙位中的Mo6+和Mo5+數量增加形成缺陷,不僅不能提供載流子,還會(huì )使電活性Mo的數量減少,從而使電學(xué)性能變差[10].在綜合比較下發(fā)現當Mo的摻雜功率為3 W時(shí),器件的電學(xué)性能最優(yōu),場(chǎng)效應遷移率為2.78 cm2/Vs,電流開(kāi)關(guān)比為107.閾值電壓為16 V,亞閾值擺幅約為1.5 V/decade,較小的亞閾值擺幅意味著(zhù)該器件在開(kāi)啟之后源漏電流上升得更快,陷阱密度較小.

圖1 不同Mo濺射功率條件下的MoZnO TFTs的轉移特性曲線(xiàn)Fig.1 The transfer characteristic curves of MoZnO TFTsunder different Mo sputtering powers

表1 ZnO TFT和MoZnO TFTs電學(xué)性能參數Table 1 Electrical performance parameters of MoZnO TFTs

圖2中(a),(b),(c),(d)分別是ZnO TFT和濺射功率為3 W,6 W,9 W時(shí)MoZnO TFTs的輸出特性曲線(xiàn).通過(guò)觀(guān)察發(fā)現在輸出特性曲線(xiàn)中,源漏電流(IDS)的數值隨著(zhù)源漏電壓(VDS)的升高而增大并最終趨于飽和;而且在不同的柵極電壓(VGS)下,其飽和電流的大小也有所不同.說(shuō)明MoZnO TFTs的導電類(lèi)型為n型,并且為增強型TFT器件.此外,由其輸出特性曲線(xiàn)表現出明顯的夾斷特性和飽和特性.但在Mo的摻雜功率為6 V和9 V時(shí),可以在圖像中觀(guān)察到電流擁擠現象,認為是過(guò)量摻雜Mo對器件本身的歐姆接觸產(chǎn)生了影響.而濺射功率為0 W和3 W時(shí)的器件性能表現出了良好的歐姆接觸.綜上所述,在Mo濺射功率為3 W時(shí),器件的輸出性能最好,當源漏電壓(VDS)為40V時(shí)源漏電流(IDS)為3.63×10-4A.

(a) ZnO

圖3展示了ZnO TFT和Mo濺射功率為3 W時(shí)MoZnO TFT在暗態(tài)和365 nm紫外光照條件下的轉移特性曲線(xiàn).Mo濺射功率為0 W和3 W時(shí)MoZnO TFT器件的轉移特性曲線(xiàn)在365 nm光照的作用下,源漏電流(IDS)發(fā)生明顯提升.通過(guò)數據的對比發(fā)現其關(guān)態(tài)電流分別提高了103和105,開(kāi)態(tài)電流也都提高了將近1個(gè)數量級.這種現象的發(fā)生是由于MoZnO薄膜中因光電效應產(chǎn)生的光生載流子的數量增加[11].

(a) ZnO

圖4為ZnO TFT和Mo濺射功率為3 W時(shí)MoZnO TFTs 多個(gè)光照周期下的動(dòng)態(tài)響應曲線(xiàn).其中圖4(a)與圖4(b)分別為ZnO TFT和MoZnO TFT在柵極電壓(VGS)為-10 V,源漏電壓(VDS)為10 V的條件下用365 nm的單色紫外光對器件進(jìn)行照射,并設置光照周期為200 s(其中,接通時(shí)間和斷開(kāi)時(shí)間均為100 s).在365 nm的光照開(kāi)啟后發(fā)現ZnO TFT和MoZnO TFT器件都有響應,但是MoZnO TFT的暗態(tài)電流比ZnO TFT的暗態(tài)電流小,而光電流比ZnO TFT的光電流大,且通過(guò)多個(gè)光照周期的測試發(fā)現動(dòng)態(tài)響應是連續且可重復的.此外,從圖像中觀(guān)察到在相同的時(shí)間間隔內,Mo的濺射功率為3 W時(shí)制備的器件能夠恢復到初始電流大小,未摻雜Mo的ZnO器件則需要更長(cháng)時(shí)間才能恢復.為了更好比較其光電性能的優(yōu)異,計算了兩種制備條件下的光響應度(photoresponsivity).

(a) ZnO

光響應度由以下等式計算:

R=IDS-IdarkPinc

(1)

式中,Idark是TFT在室溫并在暗態(tài)條件下的源、漏電極之間流通的電流,A;IDS是室溫并在365 nm光照條件下的源、漏電極之間流通的電流,A;Pinc是紫外燈入射光的功率,W.

ZnO TFT和MoZnO TFT在365 nm光照條件下,光響應度分別為為7.86 A/W,32.09 A/W.MoZnO TFT的光響應度得到了明顯的提升.在Mo的濺射功率為3 W時(shí)的光響應度更高的原因可能是由于此條件下制備MoZnO薄膜表面更加光滑,相比于粗糙的表面光響應度得到了提高.這樣的結果表明365 nm光照對MoZnO TFT的作用更加明顯的原因是Mo元素的摻雜.

利用ZnO靶材和Mo靶材共濺射的方法制備了具有叉指電極結構的MoZnO薄膜晶體管.在對其TFT器件的轉移特性、輸出特性和多個(gè)光周期下的動(dòng)態(tài)響應分析后.得出結論如下：

(1) 在Mo的濺射功率為3 W時(shí),MoZnO TFT的電學(xué)性能最優(yōu).主要電學(xué)參數為:場(chǎng)效應遷移率2.78 cm2/Vs,電流開(kāi)關(guān)比3.38×107,亞閾值擺幅1.5 V/decade.

(2) 此條件下,MoZnO TFT的光響應度約為32.09 A/W,高于ZnO TFT的光響應度.

(3) 此條件下,MoZnO TFT得到了連續且可重現的動(dòng)態(tài)響應,且暗態(tài)電流低于ZnO TFT的暗態(tài)電流，光電流高于ZnO TFT的光電流.

(4) 這種以MoZnO TFT在通過(guò)進(jìn)一步的工藝優(yōu)化之后可以應用于光電探測領(lǐng)域.