氧化鋅薄膜晶體管的光誘導不穩定性*

王聰 劉玉榮，2? 李星活 蘇晶 姚若河，2

(1.華南理工大學 電子與信息學院，廣東 廣州 510640;2.華南理工大學 廣東省短距離無線探測與通信重點實驗室，廣東 廣州 510640;3.汕尾職業技術學院 電子信息系，廣東 汕尾 516600)

隨著顯示技術的日益發展，平板顯示器已逐步取代傳統的陰極射線管顯示器(CRT)而成為當今顯示器市場的主流產品.平板顯示器通常包括場發射平板顯示器(FED)、等離子體平板顯示器(PDP)、薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)和有機發光顯示器(OLED).目前，大多數平板顯示器為有源矩陣液晶顯示器(AMLCD)，其中薄膜晶體管(TFT)因在有源矩陣驅動顯示器中發揮著重要作用而倍受關注［1-3］，TFT 技術已成為平板顯示領域的關鍵技術.目前，TFT 器件主要包括非晶硅TFT［4］、多晶硅TFT［5］、有機TFT［6-7］和氧化物TFT［8］，其中ZnO 薄膜晶體管(ZnO-TFT)具有遷移率高、可見光透明、環境友好、加工溫度低等優點，應用于平板顯示中時可獲得更大的驅動電流和更高的開口率.

ZnO 薄膜是一種直接寬帶隙(常溫下帶隙約為3.37 eV)的透明氧化物半導體，具有六方纖鋅礦結構，C 軸優先取向和優良的壓電、光電、氣敏、壓敏特性，已在傳感器領域得到了廣泛的應用.為克服非晶硅TFT 和有機TFT 存在的遷移率低、對可見光敏感等缺點，2003 年Nomura 等［9］采用ZnO 薄膜作為半導體有源層制備出高性能的ZnO-TFT，其載流子遷移率高達80 cm2/(V·s)，開關電流比高于106，可見光透過率大于80%，從此掀起了ZnO-TFT 的研究熱潮.近十年來，ZnO-TFT 的研究十分活躍，也取得了長足的進展，表現在:①采用了不同的方法(射頻磁控濺射法［10］、激光脈沖沉積法［11］、原子層沉積法［12］、溶膠-凝膠法［13］等)沉積ZnO 薄膜以得到不同特性的ZnO-TFT;②采用了不同的柵介質及制備工藝以改善器件的特性［14-15］;③通過在ZnO 薄膜中摻入合適的雜質來改善器件的性能［16-17］;④通過優化半導體層與柵介質之間的界面特性來提高器件的性能［18-19］.

由于ZnO 薄膜的帶隙寬，理論上純凈的晶態ZnO 對可見光具有透明性，因此，ZnO 薄膜用于平板顯示作有源驅動時可獲得100%的開口率.然而，各種薄膜技術制備的ZnO 薄膜通常是一種非晶或多晶結構，薄膜內部存在大量的缺陷態，從而使其在可見光范圍也存在著一定的光響應，導致器件在可見光范圍往往存在一定的光誘導不穩定性.文中以高純ZnO 為靶材，采用射頻磁控濺射法沉積的ZnO 薄膜作為半導體活性層，制備出底柵頂接觸型ZnOTFT，研究可見光照射對ZnO-TFT 電特性的影響及其機理.

1 實驗

實驗采用電阻率為0.6～1.2 Ω·cm、晶 向 為(100)的n+型單晶硅片作襯底和晶體管的柵(G)電極，以熱生長SiO2薄膜為柵介質層，用射頻磁控濺射法沉積的ZnO 薄膜作為半導體活性層，真空蒸鍍Al 作為源(S)、漏(D)電極，制備出底柵頂接觸型薄膜晶體管結構［20］.濺射時采用高純ZnO(純度為99.99%)作為靶材，射頻功率為60 W，基底溫度為200 ℃，Ar 與O2的流量比為5∶2，濺射前反應室真空度為1.9 ×10-4Pa，濺射時反應室氣壓為0.5 Pa，濺射時間為60 min，樣品自轉速率為10 r/min.樣品的制備工藝流程參見文獻［20］.所制備ZnO 薄膜晶體管的溝道長度(L)和寬度(W)分別為30 和400 μm.SiO2和ZnO 薄膜的厚度利用NanoCal 2000 型光反射測厚儀測定，分別為120 和100 nm.單位面積柵介質電容(Cox)由Agilent 4284A 型電容分析儀得到，其值為26 nF/cm2.ZnO-TFT 器件的電特性利用Agilent 4156C 精密半導體參數分析儀及CASCADE RF-1 探針臺組成的測試系統進行測試.照射光源采用探針臺自帶的LED 燈，光照強度用JD-3 型可見光照度計測量.

2 結果與討論

圖1 給出了ZnO-TFT 器件在暗態下的輸出和轉移特性(漏電流ID與柵電壓VGS的關系)曲線.從圖1(a)可知:VGS和漏電壓VDS均為正偏壓，說明所沉積的ZnO 薄膜為n 型半導體層;飽和區曲線非常平坦，表現出優良的飽和行為;當VDS=20 V、VGS=30 V時，器件的飽和區漏電流高達1.4 μA.由圖1(b)可知:晶體管呈現出良好的開關特性，柵電壓能較好地控制漏電流的變化，當柵偏壓加負向電壓且不斷增加時，漏電流無明顯增加，晶體管處于關斷狀態，關態電流低于10 pA，而當柵偏壓加正向電壓且不斷增加時，晶體管進入開通狀態;當VDS=30 V、VGS=40 V時，器件的開態電流高達13.8 μA.對于薄膜晶體管，當晶體管處于飽和狀態時，其源漏之間的飽和電流ID，sat通?？杀硎緸?/p>

圖1 ZnO-TFT 器件在暗態下的電特性Fig.1 Electrical characteristics of ZnO-TFT device in the dark

式中，μeff為薄膜晶體管的飽和區載流子有效場效應遷移率，Vth為閾值電壓.

式中，k 為玻爾茲曼常數，T 為絕對溫度，q 為電子基本電量.由式(3)可計算出界面態密度為6.83 ×1012cm-2.

在不同光照強度(E)下，VGS=0 V 時ZnO-TFT的輸出特性曲線如圖2 所示.在相同的漏電壓下，漏電流隨著光照強度的增加而增加.光照前，ZnO-TFT的輸出特性曲線呈現出明顯的飽和行為;隨著光照強度的增加，ZnO-TFT 的飽和特性變得越來越差.這是因為光照強度增大時，ZnO 薄膜中光誘導的載流子濃度增加，從而導致半導體活性層的本體電阻減小.當柵電壓不變(VGS=0 V)時，導電溝道區之外光誘導引起本體電阻的減小，從而形成本體電流，此時漏電流包括溝道電流和本體電流兩部分，且隨光照強度的增加，本體電流對漏電流的影響越來越大.因此，隨光照強度的增加，ZnO-TFT 的輸出特性曲線的飽和行為逐漸變弱而電阻行為逐漸增強［22］.

圖2 不同光照強度下ZnO-TFT 的輸出特性Fig.2 Output characteristics of ZnO-TFT at various illumination intensities

在不同漏電壓下，VGS=0 V 時ZnO-TFT 的漏電流隨光照強度的變化如圖3 所示.在各種漏電壓下，ZnO-TFT 的漏電流隨光照強度的增加而增大，且呈線性關系，而在強光照下表現為拋物線關系.這是由于ZnO 薄膜存在豐富的缺陷態，這些缺陷態對光誘導產生的載流子具有明顯的陷阱作用［23］.

圖3 不同漏電壓下ZnO-TFT 器件的漏電流隨光照強度的變化Fig.3 Drain current of ZnO-TFT versus illumination intensity at various drain voltages

在不同光照強度下，VDS=30 V 時ZnO-TFT 的轉移特性曲線如圖4 所示.當ZnO-TFT 處于不同的工作狀態時，光照對器件特性的影響有所不同.當ZnO-TFT 工作于亞閾值區以上時，漏電流受光照強度的影響相對較小，在VGS=30 V 和80 lx 的光照射下，漏電流從暗態的2.95 μA 上升到3.44 μA，相對變化量(Iph-Idark)/Idark僅為0.16;即使在2210 lx 的光照射下，漏電流為5.16 μA，相對變化量也僅為0.75.然而，當ZnO-TFT 工作于亞閾值區以下時，漏電流受光照強度的影響增大，在VGS=0 V 和80 lx 的光照射下，漏電流從暗態的7.4 pA 上升到0.162 nA，相對變化量為1.20;在2 210 lx 的光照射下，漏電流為0.236 nA，相對變化量為31.00.這表明，可見光照射所引起的ZnO-TFT 漏電流變化不僅與光照強度有關，而且受到柵電壓的調控，如圖5 所示.在相同柵電壓下，漏電流的相對變化量隨光照強度的增加而增大;在相同強度的光照射下，漏電流的相對變化量隨柵電壓的變化而變化.在80 lx 的光照射下，漏電流的最大相對變化量為2.36，最小相對變化量為0.12;在2210 lx 的光照射下，漏電流的最大相對變化量為36.29，最小相對變化量為0.58.對于有機TFT，在可見光照射下漏電流的最大相對變化量高達103［24］，這表明在可見光照射下，ZnO-TFT 器件特性的穩定性遠遠優于有機TFT.漏電流的相對變化量隨柵電壓的變化可采用有源層的本體電阻和溝道電阻組成的并聯電阻模型得到解釋［22］.當ZnO-TFT處于開態時，溝道電阻很小，光照所引起的本體電阻的變化對并聯電阻的影響較小，故漏電流變化小;當ZnO-TFT 處于亞閾值區時，溝道完全被耗盡，溝道電阻很大，此時光照引起的本體電阻減小使并聯電阻有效減小，因此漏電流明顯增大.

圖4 不同光照強度下ZnO-TFT 的轉移特性Fig.4 Transfer characteristics of ZnO-TFT at various illumination intensities

圖5 不同強度光照射下漏電流的相對變化量與柵電壓的關系Fig.5 Relative variation of drain current versus gate voltage at various illumination intensities

為了進一步分析可見光照射對ZnO-TFT 器件性能參數的影響規律，圖4(b)給出了不同光照強度下ZnO-TFT 漏電流的平方根與柵電壓的關系曲線.隨著光照強度的不斷增大，ZnO-TFT 的閾值電壓微弱減小(無光照時閾值電壓為21 V，在2 210 lx 的光照下閾值電壓為19.5V，減小了1.5V)，場效應遷移率有少許的增加(場效應遷移率在暗態時為0.27cm2/(V·s)，在2210lx 光照下為0.41cm2/(V·s)).這是因為在可見光照射下，光誘導產生的載流子被溝道層內陷阱態俘獲，因此，在相同柵電壓下溝道層內所誘導的有效可動電荷有所增多，即閾值電壓有所減小;溝道層內的缺陷態主要分布在晶粒間界，光誘導的載流子被晶界處的缺陷態俘獲，引起晶界勢壘的降低，從而導致遷移率有所增大.

為了分析可見光照射后ZnO-TFT 的遲豫特性，在2310 lx 的穩定光照后關斷光照，不同延時時間下ZnO-TFT 器件的轉移特性如圖6 所示.漏電流在光照關斷初期的衰減較快，而后的衰減較為緩慢，這在亞閾值區以下尤其明顯;在關斷光照50 min 后漏電流尚未完全恢復到光照前的初始值，這表明陷阱電荷的去陷阱過程是一個緩慢的過程，因為ZnO 薄膜中存在的豐富的缺陷態會在禁帶中形成深淺不同的陷阱能級.在穩定的光照下，這些缺陷能級大多收容了光誘導的載流子，光照停止后淺陷阱能級上的陷阱電荷往往比深陷阱能級上的陷阱電荷更容易釋放，因此，關斷光照初期漏電流的衰減較快且主要取決于淺陷阱能級上陷阱電荷的去陷阱過程，隨著時間的延長，漏電流的衰減較為緩慢且主要取決于深陷阱能級上陷阱電荷的去陷阱過程.

圖6 停止2310 lx 光照后ZnO-TFT 的轉移特性隨延時時間的變化Fig.6 Transfer characteristics of ZnO-TFT varying with delay time after turning off light illumination of 2310 lx

3 結語

文中采用射頻磁控濺射法制備ZnO-TFT，研究了可見光誘導所引起的器件特性的不穩定性.實驗結果表明:該ZnO-TFT 呈現出良好的場效應晶體管特性，飽和行為明顯，有效場效應遷移率為0.36cm2/(V·s)，閾值電壓為22.5V，開關電流比為2 ×106，亞閾值擺幅為2.6 V/dec.在可見光照射下，該ZnO-TFT 器件的性能呈現出一定的不穩定性，隨著光照強度的增加，遷移率有少許增大，閾值電壓有微弱的減小，漏電流的相對變化量受柵電壓的調控:在開態時漏電流的相對變化量較小，在2 210 lx 的光照下，漏電流相對變化量的最小值為0.58，而在亞閾值區和關態時，漏電流受光照強度的影響較大，相同強度的光照下漏電流相對變化量的最大值為36.29.這種可見光誘導不穩定性與ZnO 薄膜內部及界面處的陷阱缺陷態的存在息息相關，因此，減小缺陷態是提高可見光照射下ZnO-TFT 器件穩定性的有效方法.

［1］Nathan A，Kumar A，Sakariya K，et al.Amorphous silicon back-plane electronics for OLED displays ［J］.IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2004，10(1):58-69.

［2］Drury C J，Mutsaers C M J，Hart C M，et al.Low-cost all polymer integrated circuits［J］.Applied Physics Letters，1998，73(1):108-110.

［3］Kato Y，Sekitani T，Noguchi Y，et al.Large-area flexible ultrasonic imaging system with an organic transistor active matrix［J］.IEEE Transactions on Electron Devices，2010，57(5):995-1002.

［4］Hekmatshoar B，Cherenack K H，Kattamis A Z，et al.Highly stable amorphous-silicon thin-film transistors on clear plastic［J］.Applied Physics Letters，2008，93(3):032103/1-3.

［5］El-Mohri Y，Antonuk L E，Koniczek M，et al.Active pixel imagers incorporating pixel-level amplifiers based on polycrystalline-silicon thin-film transistors［J］.Medical Physics，2009，36(7):3340-3355.

［6］彭俊彪，蘭林鋒，楊開霞，等.Ta2O5的氫熱處理對有機薄膜晶體管性能的影響［J］.華南理工大學學報:自然科學版，2006，34(10):105-108.Peng Jun-biao，Lan Lin-feng，Yang Kai-xia，et al.Influence of thermal treatments of Ta2O5gate insulator in H2atmosphere on performance of organic thin-film transistors［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2006，34(10):105-108.

［7］劉玉榮，左青云，彭俊彪，等.聚3-己基噻吩聚合物薄膜晶體管的穩定性［J］.華南理工大學學報:自然科學版，2010，38(5):65-70.Liu Yu-rong，Zou Qing-yun，Peng Jun-biao，et al.Stability of polymer thin-film transistors based on poly (3-hexylthiophene)［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2010，38(5):65-70.

［8］Kim B，Cho H N，Choi W S，et al.Highly reliable depletion-mode a-IGZO TFT gate driver circuits for high-frequency display applications under light illumination［J］.IEEE Electron Device Letters，2012，33(4):528-530.

［9］Nomura K，Ohta H，Ueda K，et al.Thin-film transistor fabricated in single-crystalline transparent oxide semiconductor［J］.Science，2003，300(5623):1269-1272.

［10］Huang H Q，Sun J，Liu F J，et al.Characteristics and time-dependent instability of Ga-doped ZnO thin film transistor fabricated by radio frequency magnetron sputtering ［J］.Chinese Physics Letters，2011，28(12):128502/1-3.

［11］Shin P K，Aya Y，Ikegami T，et al.Application of pulsed laser deposited zinc oxide films to thin film transistor device［J］.Thin Solid Films，2008，516(12):3767-3771.

［12］Tsukazaki A，Ohtomo A，Chiba D，et al.Low-temperature field-effect and magnetotransport properties in a ZnO based heterostructure with atomic-layer-deposited gate dielectric［J］.Applied Physics Letters，2008，93(24):241905/1-3.

［13］Singh S，Chakrabarti P.Simulation，fabrication and characterization of sol-gel deposited ZnO based thin film transistors［J］.Science of Advanced Materials，2012，4(2):199-203.

［14］Kim J B，Fuentes-Hernandez C，Kippelen B.High-performance InGaZnO thin-film transistors with high-k amorphous Ba0.5Sr0.5TiO3gate insulator ［J］.Applied Physics Letters，2008，93(24):242111/1-3.

［15］Chiu C J，Chang S P，Chang S J.High-performance amorphous indium-gallium-zinc oxide thin-film transistors with polymer gate dielectric［J］.Thin Solid Films，2012，520(16):5455-5458.

［16］Chong E，Lee S Y.Influence of a highly doped buried layer for HfInZnO thin-film transistors［J］.Semiconductor Science and Technology，2012，27(1):012001/1-4.

［17］Su B Y，Chu S Y，Juang Y D.Improved electrical and thermal stability of solution-processed Li-doped ZnO thin-film transistors［J］.IEEE Transactions on Electron Devices，2012，59(3):700-704.

［18］de Souza M M，Jejurikar S，Adhi K P.Impact of aluminum nitride as an insulator on the performance of zinc oxide thin film transistors［J］.Applied Physics Letters，2008，92(9):093509/1-3.

［19］Kim W S，Moon Y K，Kim K T，et al.Improvement in the bias stability of zinc oxide thin-film transistors using Si3N4insulator with SiO2interlayer ［J］.Thin Solid Films，2011，520(1):578-581.

［20］劉玉榮，任力飛，楊任花，等.退火溫度對氧化鋅薄膜晶體管特性的影響［J］.華南理工大學學報:自然科學版，2011，39(9):103-107.Liu Yu-rong，Ren Li-fei，Yang Ren-hua，et al.Effects of annealing temperature on electrical properties of ZnO thinfilm transistors ［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2011，39(9):103-107.

［21］Cross R B M，Souza M M D，Deane S C，et al.A comparison of the performance and stability of ZnO-TFTs with silicon dioxide and nitride as gate insulators［J］.IEEE Transactions on Electron Devices，2008，55(5):1109-1115.

［22］Liu Y R，Lai P T，Yao R H.High-photosensitivity polymer thin-film transistors based on poly (3-hexylthiophene)［J］.Chinese Physics B，2012，21(8):088503/1-6.

［23］馮文修，劉玉榮，陳蒲生.半導體物理學基礎教程［M］.北京:國防工業出版社，2005:178-182.

［24］Cho S M，Han S H，Kim J H，et al.Photo leakage currents in organic thin-film transistors［J］.Applied Physics Letters，2006，88(7):071106/1-3.