有源层厚度对ZnO-TFT的影响.docx

有源层厚度对磁控溅射ZnO薄膜晶体管电学性能影响

摘要：本文采用以热生长的SiO2作为绝缘层，在相同溅射工艺条件下通过调节溅射时间制备不同厚度有源层的ZnO薄膜晶体管，研究了有源层厚度对ZnO-TFT电性能的影响。实验结果表明，不同厚度的ZnO薄膜有源层对ZnOTFT电学性能影响很大，随着有源层厚度的增加，ZnO-TFT性能逐渐变好，当厚度继续增加时，ZnO-TFT性能逐渐变坏。结合X射线衍射谱，原子力显微镜对ZnO薄膜微结构进行分析，发现ZnO-TFT性能在随薄膜厚度在一定范围内改善是因为ZnO厚度的增加使ZnO薄膜的晶粒尺寸增大，表面粗糙度降低；超过一定厚度范围后性能变坏是因为ZnO厚度的增加使。。。。。

Abstract：

1、引言
近年来，场效应薄膜晶体管（TFT）在有源矩阵驱动显示器中发挥了重要作用，而TFT中半导体的性质对器件的性能、制作工艺有重要影响。目前，较为使用较广的是非晶硅（a-Si）或多晶硅（p-Si）。其中a-SiTFT具有制备工艺简单、容易大面积制作和漏电流小等特点，是有源矩阵液晶显示器件中应用最广和最为成熟的一种显示器件。但a-Si材料的迁移率较低，一般在0.1-1.0cm2/V.s范围，不能满足显示器件高速，高亮度的要求。低温p-Si技术制备的p-SiTFT虽具有较高的迁移率（30-100cm2/V.s），但需要激光晶化处理等复杂工艺。ZnO是一种新型宽禁带直接带隙化合物半导体，相对Si基材料具有迁移率高，对可见光透明等优点，在有源矩阵驱动液晶显示中有巨大应用潜力。最近对ZnO-TFT的研究中，ZnO薄膜的制备多采用溅射法。磁控溅射法具有方法简单，薄膜致密，较高的溅射速率等特点，因而得到广泛使用。然而采用采用溅射法制备ZnO薄膜有源层的过程中，溅射工艺对ZnO薄膜质量有决定性作用。
本文以高纯ZnO作溅射靶，在已生长SiO2的n型硅片上，采用射频磁控溅射法，在相同的溅射工艺条件下通过调节溅射时间生长了不同厚度的ZnO薄膜作为有源层，此基础上制备底栅顶接触型ZnO-TFT器件，研究ZnO有源层厚度对ZnO-TFT器件性能的影响及其机理。

2实验
以电阻率为0.6～1.2Ω.cm、晶向为（100）的n型单晶硅片作为衬底和栅（G）电极，采用标准硅工艺清洗硅片后，用20%的HF溶液除去硅片表面的自然氧化层，然后采用热氧化法，在氧气气氛，1000℃下生长163nmSiO2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，采用射频磁控溅射法在SiO2层上生长一层ZnO薄膜作为有源层。溅射时采用高纯ZnO靶材（纯度为99.999%），功率为70W，Ar与O2的流量比为20:20，本底真空度为4×10-4Pa，溅射气压为0.5Pa，溅射温度分别为350℃，溅射时间为分别为10min，20min，30min，40min，50min。最后采用真空镀膜技术掩膜版，在真空度为2.0×10-3Pa条件下蒸发Al制备源（S）电极和漏（D）电极，制备出底栅顶接触型ZnO-TFT，器件的宽为800μm，长为50μm，器件结构剖面如图1所示。

图1ZnO-TFT器件结构剖面图
利用BX51M金相显微镜测量电极面积，Agilent4284A电容分析仪测量、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（QUOTE），为21.2nF/QUOTE。采用德国OceanOptics公司的Nanocalc-XR光学薄膜测厚仪测量ZnO薄膜厚度，ZnO-TFT器件的电特性利用Agilent4156C半导体参数分析仪及CASCADERF-1探针台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进行。用D8Advance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；

3结果与讨论
采用德国OceanOptics公司的Nanocalc-XR光学薄膜测厚仪对制得的ZnO有源层厚度进行测量，得到溅射时间为10min，20min，30min，40min，50min的ZnO薄膜厚度分别为20nm，41nm，67nm，111nm，133nm。
3.3电学特性
图2和图3分别为不同有源层厚度的ZnO-TFT器件的输出特性曲线和转移特性曲线。从图2可知：栅极偏压对器件的漏极电流(IDS)有明显的控制作用，表现出良好的饱和特性；不同厚度ZnO有源层的样品输出特性存在很大差异，在栅电压为40V时，对于有源层厚度为20nm的器件，其饱和区漏电流仅为0.26μA，而有源层厚度为41nm的器件，其饱和区漏电流为3.1μA，较有源层厚度为20nm器件增大明显，但有源层厚度大于41nm后，此时有源层厚度对器件输出特性影响很小，可见有源层厚度对薄膜晶体管性能有重