基于溅射氧化铝的铟镓锌氧双电层薄膜晶体管

发布时间：2021-09-30 23:26

　　采用直流反应磁控溅射制备出的氧化铝质子导体作为栅介质,采用射频磁控溅射制备的铟镓锌氧（IGZO）和铟锌氧（IZO）分别作为沟道和源漏电极,得到了由溅射方法制备的氧化物双电层薄膜晶体管（TFT）。对氧化铝栅介质的基本性质进行了表征,论证了氧化铝栅介质厚度与漏电流之间的关系,得出随着栅介质厚度的增加,电场强度下降,离子漏电流也有所下降的结论;并对双电层TFT进行了特性曲线测试,在栅压为-1～2 V时获得的开关比为3.6×10⁴,迁移率为15.5 cm²·V^-1·s^-1。最后通过改变测试环境的相对湿度,测试了双电层TFT的湿度稳定性,发现其转移特性曲线中的源漏电流随着湿度的下降总体上呈现下降趋势,并分析论证了该类器件性能参数受湿度影响的机理。 

【文章来源】：半导体技术. 2020,45(01)北大核心

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

图1 双电层TFT制备工艺流程图

图2为测得的氧化铝薄膜厚度(d)与溅射时间(t)的关系曲线。可见,随着t的增加,d近似呈线性增长。这表明溅射工艺的沉积效率较为稳定,其平均溅射速率约为3.5 nm/min。图3所示为ITO/氧化铝/IZO结构上测得的氧化铝栅介质的漏电流,图中Vbias为偏置电压。各条曲线对应不同的栅介质厚度。结合图2可以看出,溅射1 h得到的氧化铝(厚度约200 nm)的漏电流最高,并且该漏电流以近似线性的I-V关系经过原点,表现出欧姆特性。 这反映了溅射制备的氧化铝薄膜中存在微结构间隙,使其在进一步溅射IZO导电电极层后易于形成电子导通通道。随着溅射时间及氧化铝薄膜厚度的增加,欧姆性漏电流得到充分抑制,漏电流持续降低。并且I-V曲线的形状与溅射1 h氧化铝薄膜的欧姆性漏电流曲线不同,而是表现出含离子栅介质特有的不经过原点且存在回滞的曲线形状[20-22]。该曲线形状是由离子形成的双电层电容随外加电压变化时的充放电所形成的,并且随着栅介质厚度的增加,电场强度下降,离子电流的大小也有下降的趋势。基于上述分析,在后续的TFT制备中采用了溅射3 h的氧化铝薄膜,其厚度可以保证较低的TFT栅极漏电流。

图3所示为ITO/氧化铝/IZO结构上测得的氧化铝栅介质的漏电流,图中Vbias为偏置电压。各条曲线对应不同的栅介质厚度。结合图2可以看出,溅射1 h得到的氧化铝(厚度约200 nm)的漏电流最高,并且该漏电流以近似线性的I-V关系经过原点,表现出欧姆特性。 这反映了溅射制备的氧化铝薄膜中存在微结构间隙,使其在进一步溅射IZO导电电极层后易于形成电子导通通道。随着溅射时间及氧化铝薄膜厚度的增加,欧姆性漏电流得到充分抑制,漏电流持续降低。并且I-V曲线的形状与溅射1 h氧化铝薄膜的欧姆性漏电流曲线不同,而是表现出含离子栅介质特有的不经过原点且存在回滞的曲线形状[20-22]。该曲线形状是由离子形成的双电层电容随外加电压变化时的充放电所形成的,并且随着栅介质厚度的增加,电场强度下降,离子电流的大小也有下降的趋势。基于上述分析,在后续的TFT制备中采用了溅射3 h的氧化铝薄膜,其厚度可以保证较低的TFT栅极漏电流。频率相关性以及低频端较高的电容是双电层电容的基本特征。图4所示为ITO/氧化铝/IZO结构的比电容(Cr)随频率(f)的变化曲线,溅射氧化铝质子导体栅介质的单位面积电容在低频端的20 Hz处达到了0.5 μF/cm-2。随着频率升高,单位面积电容开始缓慢下降,并且在接近10 kHz时出现陡坡式下降。电容下降的原因是由于信号频率的增加使质子无法及时响应电场方向的切换,从而无法形成极化[23]。


本文编号：3416829