不同退火气氛下溶胶-凝胶法制备IZO薄膜晶体管性能研究.pdf

第 卷第 期 年 月吉林建筑大学学报 收稿日期：作者简介：宋凯安（），男，山东省菏泽市人，硕士研究生通讯作者：闫兴振，男，吉林省长春市人，讲师，博士 ：不同退火气氛下溶胶 凝胶法制备 薄膜晶体管性能研究宋凯安，闫兴振，李博，张轶强吉林建筑大学 电气与计算机学院，长春 摘要：使用溶胶 凝胶法制备铟掺氧化锌（）沟道层，并构建了底栅顶接触的薄膜晶体管（）器件 研究不同热处理气氛对其电学性能以及表面形貌的影响 首先将所制备的 薄膜分别在空气、氧气、真空环境下进行 退火处理 使用半导体参数仪对制备的 器件进行电学性能测试，使用原子力显微镜（）表征薄膜的表面形貌 经分析发现，在真空环境退火处理后，器件综合性能较好，其迁移率达到 ，电流开关比为 ，阈值电压为 关键词：溶胶 凝胶法；薄膜晶体管；退火氛围；电学性能中图分类号：文献标志码：文章编号：（）牞 牞 牞 牞 牞 牞 牶 牗 牘 牞 牗 牘 牞 牞 牞 牗 牘 牞 爛 牞 牶 牷 牷 牷 引言近年来，随着显示领域的快速发展，人们对平板显示的需求越来越高 其中，薄膜晶体管（）在显示器的开关和光传感器中起着重要作用 金属氧化物作为 中的沟道层凭借其宽禁带、高迁移率和光透过率受到社会各界的广泛关注 在众多金属氧化物活性材料中，基材料因其优异的光电性能成为研究热点 目前，在 器件设计与应用过程中，研究者将目光转移到有源层掺杂和双层有源层结构 其中，非晶态 （）因其高电子迁移率（）、室温加工、高表面平整度、非晶态结构稳定性等 ，已成为 有源层的热点材料 据报道，铟含量对迁移率有很大影响，而锌在 薄膜中的存在对迁移率没有显著影响 因而，它被认为可以提高 薄膜的非晶相稳定性 同时研究者发现第 期宋凯安，闫兴振，李博，张轶强：不同退火气氛下溶胶 凝胶法制备 薄膜晶体管性能研究 对薄膜进行退火处理后可以降低其界面态陷阱密度，改善器件性能 目前，薄膜晶体管的制备工艺主要包括：磁控溅射法（，简称 ），金属有机化学气相沉积（，简称为 ），脉冲激光沉积（，简称为 ），原子力沉积法（，简称为 ）、溶胶 凝胶法（）虽然 技术沉积的薄膜较为致密，但难以实现大面积生产 技术虽然成膜质量较高，易于控制沉积薄膜的组分和掺杂量，但制备成本较高 技术成膜质量较高、速度较快是目前研究过程中的成熟工艺，但其组分控制不灵活，且不易制备大面积薄膜 与前者相比，溶胶 凝胶法具有制备成本低、操作简单且易于组分调控等优势，成为器件制备的另一种可供选择路径 本文主要介绍了溶胶 凝胶法制备 器件的工艺流程，制备了 器件，并对其进行电学性能测试，研究了不同热处理氛围对其性能以及表面形貌的影响 实验 前驱体溶液配制实验用的 前驱体溶液采用水合硝酸铟 （）分析纯 作为铟源，二水合醋酸锌 （）分析纯 作为锌源，溶解在二甲氧基乙醇 分析纯 溶剂中，其中 前驱体溶液中 设置油浴温度为 ，放入磁力搅拌子搅拌 ，静置 后过滤处理得到均匀溶液 导电薄膜制备 基底清洗将 片切割成 大小的正方形放入烧杯中，分别加入丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗 ，放入烘箱 加热 薄膜制备用等离子体清洗基底表面，去除基底表面吸附的杂质，增加了溶胶与基底的润湿性，从而有利于得到均匀的薄膜 采用匀胶法旋涂 溶液 用配置好的 溶液滴涂在基底表面中心位置，设置匀胶仪转速前期 为 ，后期 为 然后将基底放置在 的热板上加热 ，进行固化 用快速退火炉进行退火处理，去除 溶液中的有机杂质 退火条件为升温速率 ，升温至 后保温 ，保温结束后自然降温至室温取出 旋涂并退火处理后有源层 薄膜厚度为 薄膜晶体管制备首先将制备好的有源层 薄膜进行图案化 光刻条件为紫外光辐射强度 ，曝光时间 ，曝光完成后用氢氧化钠洗去与紫外光发生反应的光刻胶 其次，用电子束蒸镀系统生长 的金属铝（）层做为源漏电极，用丙酮剥离生长在光刻胶上的 ，以达到图形化矩形电极结构 其器件结构示意图如图 所示，光学显微镜图片如图 所示?图 器件结构示意图?图 光学显微镜图 吉林建筑大学学报第 卷 结果与讨论 电学性能分析 的电学性能主要由阈值电压 、场效应迁移率、电流开关比等性能参数表示 其中，阈值电压是指能够开启薄膜晶体管的最小电压 场效应迁移率是指单位电场下载流子的传输速度，决定了器件的开关速度 电流开关比是指器件在开态时的最大输出电流和器件关态时的源漏电流的比值，能够反映出在一定栅极电压下器件开关性能的好坏 本文采用美国 公司生产的半导体参数仪分别测试了不同退火氛围下 器件的电学特性，如图 所示?图 不同退火氛围下 转移特性曲线 由图 所示，真空氛围下退火的 表现出了较好的电学性能，具有较低的开启电流 ，较高的关态电流 相比较，在氧气以及空气氛围下退火处理具有较大的开启电流 器件的沟道长度（）和宽度（）分别为 和 ，测试时源漏极施加的电压 为 ，栅极电压 从 扫到 ，当器件工作在饱和区时，根据公式（）得到 器件的饱和场效应迁移率 槡 ()（）式中，为源极和漏极之间的电流，；为栅极和源极之间的电压，；为器件沟道的长，；为器件沟道的宽，；为栅绝缘层的单位电容，不同退火氛围下 器件的各项电学性能见表 表 不同退火氛围下 电学性能 退火氛围电流开关比阈值电压 迁移率 （）真空 氧气 空气 由表 可以看出，相比于氧气与空气，在真空环境下退火，无论是电流开关比还是迁移率都得到了较大的提升，这种现象很可能是由于载流子浓度不一致引起的 自由载流子主要来源于氧空位，在氧气氛围下退火能够为薄膜提供中性氧原子，并填补半导体层中的氧空位 而真空环境可以有效防止退火过程中氧气的掺入，并避免氧空位的填充，从而得到更高的电子浓度，电流开关比达到 ，同时阈值电压也大幅度降低 表面形貌分析采用原子力学显微镜（，简称 ）分别测试不同退火氛围下制备的 的表面形貌，如图 图 所示 从图中分析，不同的退火氛围对表面粗糙度影响较大，在真空、氧气、空气环第 期宋凯安，闫兴振，李博，张轶强：不同退火气氛下溶胶 凝胶法制备 薄膜晶体管性能研究 境下退火薄膜的均方根分别为 ，和 可见，在真空环境下退火薄膜粗糙度最小?图 氧气退火?图 真空退火?图 空气退火 结论本文采用溶胶 凝胶法在 衬底上制备了 有源层薄膜晶体管 研究了不同退火气氛对 电学性能的影响 通过半导体参数仪测试发现，有源层在真空环境退火处理后制备的 器件性能优于在氧气或空气下退火 通过 对其表面相貌测试分析，真空环境退火处理的薄膜表面粗糙度较小，有利于提高界面接触质量参考文献 ，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：吉林建筑大学学报第 卷 何佳威 金属氧化物半导体薄膜晶体管的氢掺杂探究与双层结构设计 武汉：武汉大学，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：赵旺 法制备氧化锌发光器件及薄膜晶体管的研究 长春：吉林大学，（），（）：，：，（）：史志锋 高质量 薄膜的 法可控生长及其发光器件研究 长春：吉林大学，陈茜 半导体接触界面对场效应晶体管电学性能的调控及其机制研究 长春：东北师范大学，：