Mo的溅射功率对MoZnO薄膜晶体管性能的影响

付 钰，高晓红，孟 冰，王 森，孙玉轩

吉林建筑大学 电气与计算机学院,长春 130118

薄膜晶体管(TFT)作为平板显示领域的主要开关器件之一.TFT的有源层材料对其性能的影响举足轻重,在其历史演变中主要有硅基TFT[1]、有机TFT[2]和金属氧化物TFT[3]等几种.而氧化锌(ZnO)是一种可以应用于光电子学领域的潜在有源层材料,尤其是可应用于光伏器件、气体传感器和薄膜晶体管等领域.它具有无毒,较宽的光学带隙和较高的光学透过率等优点.也由于这些优越的特性,近年来人们通过掺杂的手段研究了在氧化锌薄膜中掺杂如铝(Al)、铜(Cu)、镓(Ga)、钼(Mo)、钛(Ti)等金属,来改善ZnO薄膜晶体管的电学性能并使其可以应用于光电探测领域[4].然而某些金属成本较高或者对人体有害,为了解决这些问题,有些学者发现在ZnO中掺杂Mo以实现更高的性能.如Zhao等[5]人采用磁控溅射技术制备了Mo掺杂IZO TFT,发现当Mo的含量为2.9 %时，场效应迁移率为2.62 cm2/Vs,电流开关比为106.Peng等[6]人通过磁控溅射技术制备的Mo掺杂ZTO TFT,发现了当Mo的含量为3 %时,场效应迁移率达到了26.53 cm2/Vs,电流开关比达到了106,都得出了Mo的掺杂可以减少沟道层中的氧空位,Mo作为掺杂剂可以抑制载流子从而降低了关态电流的结论.目前,有关MoZnO TFTs的研究相对较少,更多的是有关MoZnO导电薄膜的研究发现Mo掺杂到ZnO中的优势在于Mo的离子半径约为0.62Å(Mo6+)、0.66Å(Mo4+)略小于0.74Å(Zn2+),使钼离子替代锌离子存在可能性;具有较高热稳定性的Mo在掺杂后也可使MoZnO薄膜的热稳定性得到进一步的增强;此外,因为与Zn2+相比较高的价态差,可以提供较多的载流子来减少离子散射效应[7].在本工作中,利用磁控溅射的方法制备了MoZnO TFTs,测试了器件的电学性能.为了进一步了解其光电特性,进行了多个光周期下的动态响应测试.

本研究是在p-Si片上制备的MoZnO TFT器件,在衬底与有源层之间还有一层100 nm厚的SiO2作栅绝缘层.制备工艺主要分为3个步骤.步骤如下:

(1) 用磁控溅射的方法分别沉积了ZnO薄膜和Mo的溅射功率分别为3 W,6 W,9 W的MoZnO薄膜作为有源层,厚度为50 nm.磁控溅射的参数设置为:氧氩比为75:25,压强为12 mTorr,ZnO的溅射功率为150 W.

(2) 使用光刻机对生长好的薄膜曝光,再进行显影,对样品进行图案化.

(3) 通过电子束蒸发(E-Beam)的方法在生长上金属Al的源漏电极,厚度设置为50 nm,然后剥离即可得到薄膜晶体管器件.

在室温下测试ZnO TFT和MoZnO TFTs的电学性能及多个光周期下的动态响应(入射光波长为365 nm).

图1为ZnO TFT和溅射功率为3 W,6 W,9 W的MoZnO TFTs的转移特性曲线.ZnO TFT和MoZnO TFTs的主要电学参数见表1.其中,阈值电压和场效应迁移率是在IDS1/2和VGS线性外推中提取出来的[8].由图可以发现,ZnO TFT和溅射功率为3 W,6 W,9 W的MoZnO TFTs的开态电流分别为8.52×10-6A,1.99×10-4A,2.23×10-6A,1.06×10-6A.当Mo掺杂到ZnO中时,器件的开态电流提高了将近2个数量级,但随着溅射功率的增强,开态电流又回降至10-6.不同条件下的关态电流分别为9.91×10-11A,5.89×10-12A,3.26×10-11A,3.61×10-11A,说明Mo掺杂到ZnO中后,关态电流先降低再升高.这意味着Mo的溅射功率为3 W时制备的薄膜晶体管器件具有较强的驱动能力且能耗较低.电流开关比随着Mo溅射功率的增长呈现先增加再降低的趋势,在Mo的溅射功率超过3W后,电流开关比明显降低.MoZnO TFTs的阈值电压在Mo掺杂到ZnO中后从负值提高到了正值.亚阈值摆幅在掺杂后先呈下降趋势,在Mo溅射功率升高后,又呈上升趋势.载流子迁移率随着Mo溅射功率的增强从0.546 cm2/Vs升高到了2.78 cm2/Vs再降至0.201 cm2/Vs,载流子迁移率的提高是由于Mo6+和Mo4+取代Zn2+时,可以提供更多的自由电子作为载流子在沟道中流通[9].此外,在MoZnO薄膜中引入Mo元素还可以有效抑制有源层中的氧空位.但随着Mo溅射功率的进一步增大,存在于间隙位中的Mo6+和Mo5+数量增加形成缺陷,不仅不能提供载流子,还会使电活性Mo的数量减少,从而使电学性能变差[10].在综合比较下发现当Mo的掺杂功率为3 W时,器件的电学性能最优,场效应迁移率为2.78 cm2/Vs,电流开关比为107.阈值电压为16 V,亚阈值摆幅约为1.5 V/decade,较小的亚阈值摆幅意味着该器件在开启之后源漏电流上升得更快,陷阱密度较小.

图1 不同Mo溅射功率条件下的MoZnO TFTs的转移特性曲线Fig.1 The transfer characteristic curves of MoZnO TFTsunder different Mo sputtering powers

表1 ZnO TFT和MoZnO TFTs电学性能参数Table 1 Electrical performance parameters of MoZnO TFTs

图2中(a),(b),(c),(d)分别是ZnO TFT和溅射功率为3 W,6 W,9 W时MoZnO TFTs的输出特性曲线.通过观察发现在输出特性曲线中,源漏电流(IDS)的数值随着源漏电压(VDS)的升高而增大并最终趋于饱和;而且在不同的栅极电压(VGS)下,其饱和电流的大小也有所不同.说明MoZnO TFTs的导电类型为n型,并且为增强型TFT器件.此外,由其输出特性曲线表现出明显的夹断特性和饱和特性.但在Mo的掺杂功率为6 V和9 V时,可以在图像中观察到电流拥挤现象,认为是过量掺杂Mo对器件本身的欧姆接触产生了影响.而溅射功率为0 W和3 W时的器件性能表现出了良好的欧姆接触.综上所述,在Mo溅射功率为3 W时,器件的输出性能最好,当源漏电压(VDS)为40V时源漏电流(IDS)为3.63×10-4A.

(a) ZnO

图3展示了ZnO TFT和Mo溅射功率为3 W时MoZnO TFT在暗态和365 nm紫外光照条件下的转移特性曲线.Mo溅射功率为0 W和3 W时MoZnO TFT器件的转移特性曲线在365 nm光照的作用下,源漏电流(IDS)发生明显提升.通过数据的对比发现其关态电流分别提高了103和105,开态电流也都提高了将近1个数量级.这种现象的发生是由于MoZnO薄膜中因光电效应产生的光生载流子的数量增加[11].

(a) ZnO

图4为ZnO TFT和Mo溅射功率为3 W时MoZnO TFTs 多个光照周期下的动态响应曲线.其中图4(a)与图4(b)分别为ZnO TFT和MoZnO TFT在栅极电压(VGS)为-10 V,源漏电压(VDS)为10 V的条件下用365 nm的单色紫外光对器件进行照射,并设置光照周期为200 s(其中,接通时间和断开时间均为100 s).在365 nm的光照开启后发现ZnO TFT和MoZnO TFT器件都有响应,但是MoZnO TFT的暗态电流比ZnO TFT的暗态电流小,而光电流比ZnO TFT的光电流大,且通过多个光照周期的测试发现动态响应是连续且可重复的.此外,从图像中观察到在相同的时间间隔内,Mo的溅射功率为3 W时制备的器件能够恢复到初始电流大小,未掺杂Mo的ZnO器件则需要更长时间才能恢复.为了更好比较其光电性能的优异,计算了两种制备条件下的光响应度(photoresponsivity).

(a) ZnO

光响应度由以下等式计算:

R=IDS-IdarkPinc

(1)

式中,Idark是TFT在室温并在暗态条件下的源、漏电极之间流通的电流,A;IDS是室温并在365 nm光照条件下的源、漏电极之间流通的电流,A;Pinc是紫外灯入射光的功率,W.

ZnO TFT和MoZnO TFT在365 nm光照条件下,光响应度分别为为7.86 A/W,32.09 A/W.MoZnO TFT的光响应度得到了明显的提升.在Mo的溅射功率为3 W时的光响应度更高的原因可能是由于此条件下制备MoZnO薄膜表面更加光滑,相比于粗糙的表面光响应度得到了提高.这样的结果表明365 nm光照对MoZnO TFT的作用更加明显的原因是Mo元素的掺杂.

利用ZnO靶材和Mo靶材共溅射的方法制备了具有叉指电极结构的MoZnO薄膜晶体管.在对其TFT器件的转移特性、输出特性和多个光周期下的动态响应分析后.得出结论如下：

(1) 在Mo的溅射功率为3 W时,MoZnO TFT的电学性能最优.主要电学参数为:场效应迁移率2.78 cm2/Vs,电流开关比3.38×107,亚阈值摆幅1.5 V/decade.

(2) 此条件下,MoZnO TFT的光响应度约为32.09 A/W,高于ZnO TFT的光响应度.

(3) 此条件下,MoZnO TFT得到了连续且可重现的动态响应,且暗态电流低于ZnO TFT的暗态电流，光电流高于ZnO TFT的光电流.

(4) 这种以MoZnO TFT在通过进一步的工艺优化之后可以应用于光电探测领域.