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 電氣與計算機學院,長春 130118

0 引言

薄膜晶體管(TFT)作為平板顯示領域的主要開關器件之一.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領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域.它具有無毒,較寬的光學帶隙和較高的光學透過率等優點.也由于這些優越的特性,近年來人們通過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,來改善ZnO薄膜晶體管的電學性能并使其可以應用于光電探測領域[4].然而某些金屬成本較高或者對人體有害,為了解決這些問題,有些學者發現在ZnO中摻雜Mo以實現更高的性能.如Zhao等[5]人采用磁控濺射技術制備了Mo摻雜IZO TFT,發現當Mo的含量為2.9 %時，場效應遷移率為2.62 cm2/Vs,電流開關比為106.Peng等[6]人通過磁控濺射技術制備的Mo摻雜ZTO TFT,發現了當Mo的含量為3 %時,場效應遷移率達到了26.53 cm2/Vs,電流開關比達到了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態電流的結論.目前,有關MoZnO TFTs的研究相對較少,更多的是有關MoZnO導電薄膜的研究發現Mo摻雜到ZnO中的優勢在于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一步的增強;此外,因為與Zn2+相比較高的價態差,可以提供較多的載流子來減少離子散射效應[7].在本工作中,利用磁控濺射的方法制備了MoZnO TFTs,測試了器件的電學性能.為了進一步了解其光電特性,進行了多個光周期下的動態響應測試.

1 實驗方法

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) 使用光刻機對生長好的薄膜曝光,再進行顯影,對樣品進行圖案化.

(3) 通過電子束蒸發(E-Beam)的方法在生長上金屬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的電學性能及多個光周期下的動態響應(入射光波長為365 nm).

2 結果與討論

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.ZnO TFT和MoZnO TFTs的主要電學參數見表1.其中,閾值電壓和場效應遷移率是在IDS1/2和VGS線性外推中提取出來的[8].由圖可以發現,ZnO TFT和濺射功率為3 W,6 W,9 W的MoZnO TFTs的開態電流分別為8.52×10-6A,1.99×10-4A,2.23×10-6A,1.06×10-6A.當Mo摻雜到ZnO中時,器件的開態電流提高了將近2個數量級,但隨著濺射功率的增強,開態電流又回降至10-6.不同條件下的關態電流分別為9.91×10-11A,5.89×10-12A,3.26×10-11A,3.61×10-11A,說明Mo摻雜到ZnO中后,關態電流先降低再升高.這意味著Mo的濺射功率為3 W時制備的薄膜晶體管器件具有較強的驅動能力且能耗較低.電流開關比隨著Mo濺射功率的增長呈現先增加再降低的趨勢,在Mo的濺射功率超過3W后,電流開關比明顯降低.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,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Mo濺射功率的進一步增大,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,還會使電活性Mo的數量減少,從而使電學性能變差[10].在綜合比較下發現當Mo的摻雜功率為3 W時,器件的電學性能最優,場效應遷移率為2.78 cm2/Vs,電流開關比為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該器件在開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Fig.1 The transfer characteristic curves of MoZnO TFTsunder different Mo sputtering powers

表1 ZnO TFT和MoZnO TFTs電學性能參數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MoZnO TFTs的輸出特性曲線.通過觀察發現在輸出特性曲線中,源漏電流(IDS)的數值隨著源漏電壓(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.說明MoZnO TFTs的導電類型為n型,并且為增強型TFT器件.此外,由其輸出特性曲線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,可以在圖像中觀察到電流擁擠現象,認為是過量摻雜Mo對器件本身的歐姆接觸產生了影響.而濺射功率為0 W和3 W時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,器件的輸出性能最好,當源漏電壓(VDS)為40V時源漏電流(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MoZnO TFT在暗態和365 nm紫外光照條件下的轉移特性曲線.Mo濺射功率為0 W和3 W時MoZnO TFT器件的轉移特性曲線在365 nm光照的作用下,源漏電流(IDS)發生明顯提升.通過數據的對比發現其關態電流分別提高了103和105,開態電流也都提高了將近1個數量級.這種現象的發生是由于MoZnO薄膜中因光電效應產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MoZnO TFTs 多個光照周期下的動態響應曲線.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行照射,并設置光照周期為200 s(其中,接通時間和斷開時間均為100 s).在365 nm的光照開啟后發現ZnO TFT和MoZnO TFT器件都有響應,但是MoZnO TFT的暗態電流比ZnO TFT的暗態電流小,而光電流比ZnO TFT的光電流大,且通過多個光照周期的測試發現動態響應是連續且可重復的.此外,從圖像中觀察到在相同的時間間隔內,Mo的濺射功率為3 W時制備的器件能夠恢復到初始電流大小,未摻雜Mo的ZnO器件則需要更長時間才能恢復.為了更好比較其光電性能的優異,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.

3 結論

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、輸出特性和多個光周期下的動態響應分析后.得出結論如下：

(1) 在Mo的濺射功率為3 W時,MoZnO TFT的電學性能最優.主要電學參數為:場效應遷移率2.78 cm2/Vs,電流開關比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態響應,且暗態電流低于ZnO TFT的暗態電流，光電流高于ZnO TFT的光電流.

(4) 這種以MoZnO TFT在通過進一步的工藝優化之后可以應用于光電探測領域.