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薄膜晶体管(TFTs)作为平板显示、柔性器件与集成电路中的核心元件之一,承担着像素开关、信号传输和能量控制等功能,其性能提升往往对显示面板的分辨率、响应速度、功耗比等性能带来巨大的改善。因此,近些年市场对于薄膜晶体管的场效应迁移率、稳定性、透光性等性能提出了严苛的要求。不透明、受可见光影响较大的非晶硅(a-Si)或低温多晶硅(LTPS)TFTs被广泛用于传统液晶显示器中[1-4]。a-Si TFTs工艺成熟、可靠性强、成本低以及能大面积均匀性制备,但较低的电子迁移率(~1 cm2V−1s−1)限制了其广泛应用[1-2]。LTPS TFTs凭借高迁移率(>80 cm2V−1s−1),支持超高分辨率与高刷新率,可实现窄边框设计,是高端显示的核心选择,但成本较高,不适配大尺寸面板[3-4]。而且在有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示技术中,驱动TFTs需同时满足高开关比、低关态电流、低亚阈值摆幅的严苛指标,单晶硅和多晶硅TFTs性能已无法匹配这一需求。在此背景下,非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)作为非晶氧化物半导体(AMOS)的典型材料,因其较高的迁移率(10~30 cm2V−1s−1)、低漏电流、高均匀性、高透明性以及可低温制备等优点,在中高端显示中展现出显著的优势[5-7]。
随着OLED等显示技术向高分辨率、高刷新率方向持续演进,对AMOS TFTs的驱动性能提出了更高要求。由IGZO衍生而来的新型材料铟镓锌锡氧化物(IGZTO)进一步优化了材料特性[8-9]。相比传统IGZO,IGZTO的载流子迁移率更高,且可实现室温制备,在适配高端显示驱动需求上展现出更大的应用潜力[10-12]。
栅绝缘层在薄膜晶体管中用作调控器件的界面态、栅电容与漏电流,其直接决定了薄膜晶体管器件的载流子迁移率、亚阈值摆幅、偏置电压稳定性以及工作电压,是薄膜晶体管中的重要组成部分之一。传统的栅绝缘层材料二氧化硅(SiO2)因介电常数低,很难在低电压的驱动下保证较高的电容密度以及较低的隧穿漏电流,而高k栅介质可以在保持较薄物理厚度的同时提升器件的栅电容,成为了突破器件功耗与尺寸瓶颈的关键研究之一[13-14]。二氧化铪(HfO2)材料凭借其高相对介电常数(约25)以及宽禁带和良好的热稳定性等优势,可以在保证栅绝缘层物理厚度的同时显著提升栅电容、降低工作电压并抑制漏电流,被视作通过栅绝缘层优化IGZTO TFTs性能工作中的关键材料之一。尽管以HfO2作为栅绝缘层的TFTs已得到广泛研究,但其在界面调控、载流子输运机理、低温工艺兼容性等方面仍有待进一步优化。因此,本文系统研究基于原子层沉积(ALD)HfO2的界面钝化、载流子输运调控及低温兼容制备工艺,旨在降低界面缺陷态密度、提升载流子传输特性、优化制备流程,以实现高性能、低功耗氧化物TFTs的构筑与应用。
本文将围绕以高k材料HfO2作为栅绝缘层的IGZTO TFTs的制备与性能测试展开研究。通过高k栅介质HfO2与氧化物有源层之间的界面调控及栅电压调控机制,降低工作电压以及亚阈值摆幅,从而提高器件的电学性能及稳定性。器件的开关比达108,器件的阈值电压调控至0.35 V,亚阈值摆幅低至0.096 V/decade,器件的迁移率高达45.8 cm2V−1s−1。研制出具有低工作电压、高开关比、高迁移率及良好稳定性的高介电栅极IGZTO TFTs,为推进下一代显示技术和柔性电子的开发提供有价值的实验依据和技术路径。
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本研究采用p+-Si片作为晶体管的栅电极,SiO2或HfO2作为栅极绝缘层,Al电极为源漏电极,制备了底栅顶接触的IGZTO TFTs。通过热氧化法生长的100 nm厚SiO2栅绝缘层。利用ALD沉积50 nm厚HfO2栅绝缘层,使用四(二甲氨基)铪(TDMAH)和水作为前驱体,高纯氮气作为载气,铪源温度为80℃,在120℃温度下经过415次循环沉积。有源层和源漏电极是利用磁控溅射沉积的IGZTO与Al,实验采用IGZTO陶瓷靶与Al金属靶作为溅射靶材,其中IGZTO靶材元素原子配比为In2O3:Ga2O3:ZnO:SnO2=25:12:20:5 at%。溅射过程均以高纯氩气作为工作气氛,RF溅射功率为70 W,腔内工作气压维持在0.6 Pa,气体流量为10 sccm,利用RF溅射沉积50 nm厚的IGZTO薄膜。随后,通过DC溅射在IGZTO薄膜上溅射50 nm的Al电极作为源极/漏极(S/D),溅射功率为20 W,溅射压强为0.6 Pa,气体流量为10 sccm。整个溅射过程均在室温下进行。
器件制备完成后,使用LNP50真空探针台和Keithley 4200半导体分析仪对器件的电学性能和稳定性进行测试。测试SiO2/IGZTO TFTs转移特性曲线时,栅极电压从−50 V~50 V,源漏电压为1 V。测试HfO2/IGZTO TFTs转移特性曲线时,栅极电压从−5 V扫描至5 V,源漏电压为1 V。在栅极施加−20 V和20 V电压应力0 ~ 3600 s后再测量器件的转移特性曲线,分析器件在负偏压应力(NBS)和正偏压应力(PBS)下的阈值电压漂移稳定性。所有电学测试均在黑暗条件及室温大气环境中完成。此外,通过X射线衍射仪(XRD)测试分析IGZTO薄膜的结构特征,利用原子力显微镜(AFM)研究薄膜的表面形貌和特征,利用X射线光电子能谱(XPS)测试分析薄膜表面的元素组成及含量。
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利用磁控溅射沉积IGZTO薄膜后,利用XRD和AFM分析测试了薄膜的结构特征及表面形貌,如图1所示。图1(a)中的XRD图谱显示,在衍射角30°附近仅出现轻微突起,没有明显细锐及高强度的衍射峰,表明该IGZTO薄膜具有非晶结构,与此前关于IGZTO薄膜的报道结果相同[15]。图1(b)为薄膜的AFM图像,显示IGZTO薄膜表面较为均匀,在2 μm× 2 μm的扫描面积下计算了薄膜的均方根粗糙度Rq约为0.491 nm,Rq越小代表薄膜表面越均匀光滑,平整、致密的薄膜表面有助于减少缺陷态,提升器件性能[16-18]。
对SiO2/IGZTO 和HfO2/IGZTO两种TFTs器件进行转移特性曲线测试,如图2所示。图2(a)和(c)分别为两种TFTs器件的转移特性曲线,插图为器件的结构图。漏极电压Vds均为1 V,SiO2/IGZTO TFTs的栅极电压Vgs从−50 V扫描到+50 V,HfO2/IGZTO TFTs的栅极电压Vgs从−5 V扫描到+5 V,在室温下测量其源漏电流Ids。图中显示,这两种器件的源漏电流Ids随栅压Vgs变化明显,展现出良好的栅压调控及开关特性[19],关态电流低至10−12 A,开关比均高达108。
TFTs器件的场效应迁移率μFE及亚阈值摆幅SS分别采用公式:μFE=gmL/(WVdsCOX)和SS=(dlogIds/dVgs)−1进行分析和计算。其中,gm=dIds/dVgs为跨导,L=100 μm为沟道长度,W=200 μm为沟道宽度。COX为SiO2和HfO2介电层的单位面积电容,分别为34.5 nF cm−2和442.5 nF cm−2。阈值电压则根据平方外推法,以Ids1/2为纵轴,Vgs为横轴,图中线性部分外推至与Ids = 0相交,交点的电压即为器件的阈值电压Vth。通过计算可知,SiO2/IGZTO TFTs的µFE为30.3 cm2V−1s−1,Vth为−7.34 V,SS为0.827 V/decade。HfO2/IGZTO TFTs的µFE为45.8 cm2V−1s−1,Vth为0.35 V,SS为0.096 V/decade,SS非常接近薄膜晶体管亚阈值摆幅的理论极限0.06 V/decade[20-21]。HfO2/IGZTO TFTs器件的阈值电压Vth仅为0.35 V,即在极小的电压下即可开启,且器件从耗尽型转变为增强型,工作结束后不需要额外提供负向电压关断器件,大幅降低了功耗,更符合工业化生产需求。
相较于SiO2/IGZTO TFTs,HfO2/IGZTO TFTs的µFE显著提升至45.8 cm2V−1s−1,Vth也得到了明显改善降低至0.35 V,SS则低至0.096 V/decade,器件的整体性能得到了明显提升。这可能是因为HfO2高k电介质作为栅介质层可以增加栅极与沟道之间的绝缘性,减少栅极的漏电电流从而形成了高效的载流子传输通道,且高k材料具有较强的电荷调控能力,能实现高迁移率的同时有效降低工作电压及降低亚阈值摆幅[4,22]。在半导体晶体管器件中,漏电电流和工作电压的降低可以提高器件的能效,减少能量浪费,并且能够降低器件的发热量,提高器件的稳定性和可靠性[23]。
图3分别显示了两种TFTs器件的输出特性曲线。SiO2/IGZTO TFTs的Vds测试至30 V,Vgs以5 V为间隔由−20 V增加到30 V。HfO2/IGZTO TFTs的Vds测试上限为4.0 V,Vgs以0.5 V步长从−1 V递增至5 V。低压工作区间内,两类TFTs器件的源漏电流Ids均随源漏电压Vds升高呈线性增长趋势,且未表现出电流拥挤特征,可证实有源层与源漏电极之间拥有良好的欧姆接触界面特性。HfO2/IGZTO TFTs在更小的栅压下实现了高饱和电流,显示具有更强的驱动能力以及电荷储存能力,提升了器件的传输特性[24]。
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为了进一步研究两种TFTs器件的稳定性,分别进行了NBS和PBS测试,均在黑暗条件及室温大气环境中进行。通过采集不同应力作用时长下的转移特性曲线,对比施加栅压前后阈值电压漂移差异,采用阈值电压偏移量ΔVth进行量化评估;对SiO2/IGZTO TFTs 器件栅极分别设置−20 V负偏压与20 V正偏压条件,对HfO2/IGZTO TFTs的栅极施加−2 V的负偏电压和2 V的正偏电压,应力施加时间均为0 s ~ 3600 s,测试的转移特性曲线如图4所示。
相关研究表明,TFTs的稳定性可能与氧空位有关[25]。施加负栅压时,电离产生的氧空位易被沟道层吸附俘获,同时沟道内部电子向后方迁移,进而引发阈值电压发生负向漂移[26]。施加正栅压条件下,界面缺陷态会捕获有源层与栅绝缘层交界处的电子,最终造成阈值电压正向偏移[27]。施加偏压应力3600 s后,SiO2/IGZTO TFTs在NBS和PBS下的ΔVth分别为−5.68 V和9.57 V,HfO2/IGZTO TFTs在NBS和PBS下的ΔVth分别为−0.21 V和−0.11 V。
两种器件在施加偏压应力前后的阈值电压变化量随时间变化关系,如图5所示。由于两种器件施加的栅偏压应力存在差异(±20 V vs ±2 V),且两种器件的Vth差异较大,在不同栅偏压应力下的稳定性可结合绝对漂移量ΔVth和相对漂移率ΔVth/Vth来综合比较。SiO2/IGZTO TFTs的Vth为−7.34 V,在NBS和PBS下的ΔVth分别为−5.68 V和9.57 V,ΔVth/Vth分别为77.38%和130.38%。HfO2/IGZTO TFTs的Vth为0.35 V,在NBS和PBS下的ΔVth分别为−0.21 V和−0.11 V,ΔVth/Vth分别为60%和31.43%。相比于SiO2/IGZTO TFTs,HfO2/IGZTO TFTs的ΔVth和ΔVth/Vth都更小,展现出更为优异的偏压稳定性。
SiO2/IGZTO TFTs和HfO2/IGZTO TFTs的SS分别为0.827 V/decade 和0.096 V/decade,亚阈值摆幅越低,意味着更低的界面陷阱密度。界面陷阱密度Dit可利用公式[10,16]计算:Dit=COX[qSS/(kBTln10)−1]/q2。其中,COX是SiO2和HfO2的单位面积电容,q是电子电量,kB是玻尔兹曼常数,T为300 K。SiO2/IGZTO TFTs和HfO2/IGZTO TFTs的Dit值分别为2.78×1012 cm−2/eV和1.66×1012 cm−2/eV。HfO2/IGZTO TFTs的界面缺陷态密度低于SiO2/IGZTO TFTs。结果表明,HfO2/IGZTO TFTs以HfO2作为栅介质层可减少氧空位缺陷,降低了界面陷阱态密度,提升了器件的电学稳定性[25,27]。
图中结果还显示HfO2/IGZTO TFTs在正偏压下出现了转移特性曲线反向负偏移的异常现象,这种现象偶尔会在低温沉积的TFTs中出现,可以通过氧化物绝缘层和沟道层之间的俘获机制来解释[13,28],具体而言可能是因为HfO2界面氢扩散与沟道施主掺杂效应,并在PBS电场下释放和加速,导致阈值电压呈现负向偏移[14]。此外,在正偏压下转移特性曲线负偏移,这可能是由于有源层内部氧空位大量电离释放自由载流子,界面处负电荷重新分布引入额外负电场,会导致开启电压降低,转移特性曲线出现负向偏移[13]。
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为了进一步分析薄膜表面氧空位缺陷对器件的影响,对SiO2/IGZTO和HfO2/IGZTO两种薄膜进行了XPS测试,如图6所示。利用高斯分布拟合O1s能谱,实现XPS O1s谱图的三峰分峰解析,即:金属氧化物(M-O)键(530.0 eV)、氧空位(VO)键(531.0 eV)和金属氢氧化物(M-OH)键(531.9 eV),分别以O1、O2和O3来表示。
结果显示,在SiO2/IGZTO薄膜表面O1占比37.3%,O2占比35.4%,O3占比27.3%。在HfO2/IGZTO薄膜表面O1占比42.4%,O2占比33.5%,O3占比24.1%。与SiO2/IGZTO 薄膜相比,HfO2/IGZTO薄膜表面O1含量占比从37.3%提高至42.4%,O2含量占比从35.4%降低至33.5%,O3含量占比从27.3%降低至24.1%。晶格氧占比最高,表明HfO2/IGZTO薄膜的化学计量比相对完整,无明显氧缺陷;氧空位和羟基占比相对较低,说明薄膜氧空位缺陷及表面缺陷较少,这使得HfO2/IGZTO TFTs的稳定性更好一些,与偏压稳定性结果相符。表面低缺陷浓度有利于减少载流子的捕获与复合,对提升柔性TFTs器件性能至关重要[13]。
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本文利用磁控溅射技术制备了SiO2/IGZTO TFTs和HfO2/IGZTO TFTs器件,并分析和讨论了两种器件的电学性能和稳定性。结果显示,基于HfO2栅介质层制备的HfO2/IGZTO TFTs的µFE高达45.8 cm2V−1s−1,Vth低至0.35 V,SS低至0.096 V/decade,器件在NBS和PBS下的ΔVth分别降低至−0.21 V和−0.11 V。结果表明,相对介电常数更高的栅介质层通过增加栅极与有源层沟道之间的绝缘性,减少栅极的漏电电流从而形成了高效的载流子传输通道,高k材料具有较强的电荷调控能力,能实现高迁移率的同时有效降低工作电压及降低亚阈值摆幅,且提升了器件的稳定性。综上所述,HfO2/IGZTO TFTs表现出优越的电学性能和偏压稳定性,在未来超高分辨率显示和柔性电子等领域具有潜在的优势。
HfO2栅介质调控IGZTO薄膜晶体管电学性能及稳定性
HfO2 Gate Dielectric Modulation on Electrical Properties and Stability of IGZTO Thin-film Transistors
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摘要: 在显示与柔性电子领域,铟镓锌锡氧薄膜晶体管(IGZTO TFTs)凭借高迁移率、低漏电流及优异的光学透过性,成为推动下一代高分辨率显示、透明电路及柔性传感技术发展的核心器件。高k栅介质材料具备优异的电荷调控能力,可有效降低器件工作电压与亚阈值摆幅,对提升TFTs性能至关重要。本研究采用射频磁控溅射技术,分别以二氧化硅(SiO2)和高k介电材料二氧化铪(HfO2)为栅介质层制备了IGZTO TFTs。研究表明,通过HfO2栅介质与IGZTO有源层的界面调控及栅压调制,显著优化了器件载流子传输特性,实现了低电压驱动与低亚阈值摆幅,有效提升了器件的电学性能与稳定性。相比于SiO2/IGZTO TFTs,所制备的HfO2/IGZTO TFTs展现出更优异性能,阈值电压由−7.34调控至0.35 V,亚阈值摆幅由0.827降低至0.096 V/decade,迁移率由30.3提升至45.8 cm2V−1s−1。器件稳定性进一步得到提升,在负偏压应力(NBS)和正偏压应力(PBS)下的阈值电压偏移ΔVth分别为−0.21 V和−0.11 V。结果表明,室温下制备的兼具高迁移率与高稳定性的HfO2/IGZTO TFTs在未来高分辨率显示及先进柔性电子等领域有着广阔的应用前景。
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关键词:
- 铟镓锌锡氧薄膜晶体管 /
- 高k栅绝缘层 /
- HfO2 /
- 电学性能 /
- 稳定性
Abstract: In the fields of display and flexible electronics, indium gallium zinc tin oxide thin-film transistors (IGZTO TFTs) have become core devices promoting the development of next-generation high-resolution displays, transparent circuits and flexible sensing technologies, owing to their high mobility, low leakage current and excellent optical transmittance. High-k gate dielectrics possess outstanding charge modulation capability, which can effectively reduce operating voltage and subthreshold swing of devices, playing a crucial role in improving TFTs performance. In this work, IGZTO TFTs were fabricated by radio frequency magnetron sputtering with SiO2 and high-k HfO2 as gate dielectrics, respectively. The results demonstrate that interface engineering and gate voltage modulation between HfO2 dielectric and IGZTO channel layer remarkably optimize carrier transport behavior, realize low-voltage driving and low subthreshold swing, and greatly enhance electrical characteristics as well as bias stability. Compared with SiO2/IGZTO TFTs, HfO2/IGZTO TFTs exhibit superior device performance: the threshold voltage is tuned from −7.34 to 0.35 V, subthreshold swing decreases from 0.827 to 0.096 V/decade, and field-effect mobility increases from 30.3 to 45.8 cm2V−1s−1. Device stability is also significantly improved, with threshold voltage shifts ΔVth of −0.21 V and −0.11 V under negative bias stress (NBS) and positive bias stress (PBS), respectively. The results indicate that the HfO2/IGZTO TFTs prepared at room temperature, which combine high mobility and high stability, have broad application prospects in future high-resolution displays and advanced flexible electronics. -
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图 2 两种TFTs器件的电学性能。(a)SiO2/IGZTO TFTs的转移特性曲线及迁移率,(b)SiO2/IGZTO TFTs的阈值电压,(c)HfO2/IGZTO TFTs的转移特性曲线及迁移率,(d)HfO2/IGZTO TFTs的阈值电压
Figure 2. Electrical properties of two TFTs devices. (a) The transfer characteristic curve and mobility of SiO2/IGZTO TFTs, (b) threshold voltage of SiO2/IGZTO TFTs, (c) the transfer characteristic curve and mobility of HfO2/IGZTO TFTs, (d) threshold voltage of HfO2/IGZTO TFTs
图 4 两种TFTs器件的偏压稳定性。SiO2/IGZTO TFTs的(a)负偏压及(b)正偏压稳定性曲线;HfO2/IGZTO TFTs的(c)负偏压及(d)正偏压稳定性曲线
Figure 4. The bias stability of two TFTs devices. Stability curves of SiO2/IGZTO TFTs under (a) negative and (b) positive bias voltage, stability curves of HfO2/IGZTO TFTs under (c) negative and (d) positive bias voltage
图 5 两种TFTs器件在NBS和PBS下的ΔVth随时间变化关系。(a)SiO2/IGZTO TFTs和(b)HfO2/IGZTO TFTs在NBS和PBS下ΔVth随时间变化关系
Figure 5. The time-dependent relationship of ΔVth of two TFTs devices under NBS and PBS conditions. The time-dependent relationship of ΔVth of (a) SiO2/IGZTO TFTs and (b) HfO2/IGZTO TFTs under NBS and PBS conditions
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