PDF《退火对氧化铟镓薄膜晶体管电学特性的影响》

3 4 ? 厦门理工学院学报

2019 年Ion 升高? 电流 Ioff 降低? IDS ~VGS 曲线亚阈值区域 (Vth >

VGS >

Von ) 的斜率升高? 即亚阈值特性得到改善? IDS 1/

2 ~VGS 曲线饱和区 (VDS ?VGS -Vth ) 的斜率升高? 这意味着 μsat 升高? 从图

3 可以看出? 经过

200 ~

380 ℃退火处理后? μsat 升高至 7? 8~12?

0 cm2 ?(V?s)-1 ? S 值降低至 0? 19~0?

4 V?dec-1 ? 随着退火 温度升高? Vth 往负向漂移? 理想的 Vth 应为

0 V 附近? Vth 负向漂移将导致需要施加较大的负向 VGS 来关 断器件? 严重时甚至导致器件无法关断? 从图

2 中可以看出? 当退火温度过高时? 器件始终处于高导 态? 无法关断? 并且使器件高导的临界温度与退火气氛有关? 在氮气、 空气和氧气中分别约为

300、

380、

400 ℃? 随着气氛中氧含量增加? 临界温度值升高? 这意味着在退火气氛中加入氧气可抑制 Vth 负向漂移? 在更大的温度范围内保持 TFT 的开关特性? 2?

2 器件电学特性变化的原因分析 为了分析器件电学特性变化的原因? 采用霍尔效应测试分析了 InGaO 的霍尔效应迁移率 μH 和载 流子浓度 Nc ? 图4(a)和(b)分别示出了 μH和Nc 随退火温度的变化关系? 图4InGaO 薄膜的霍尔效应迁移率和载流子浓度随退火温度变化的情况 Fig?

4 Temperature dependent variation of Hall effect mobility of InGaO films 从图(4)中可以看出? 随着退火温度升高? μH和Nc 均升高? 这可能与薄膜中的氧空位浓度和状态 的变化有关? KAMIYA 等[14-15] 的第一性原理计算结果表明氧空位在能带中的位置与其周围的阳离子 配位情况有关? 低配位氧空位产生深能级或浅能级的陷阱态? 而高配位氧空位产生浅能级施主态? 向 导带贡献电子? 是载流子的主要来源之一? 未经退火的薄膜通常具有较疏松的结构? 低配位氧空位浓 度较高? 而退火能够使薄膜的结构发生弛豫? 微观结构更加致密[16] ? 因此可合理地推测退火促使氧 空位从低配位向高配位转化? 能带中的陷阱态向浅能级施主态转化? 从而使 μH 和Nc 升高? 从器件原 理的角度分析? 深能级陷阱态可劣化 TFT 亚阈值区域的特性及其光学响应[17] ? 而浅能级陷阱态则影 响TFT 的迁移率和迟滞现象[18-19] ? 器件的 μsat 升高、 ΔVon 减小、 S 值下降反过来也印证了陷阱态密度 的下降? 当退火温度过高时? TFT 器件出现了无法关断的现象? 这归因于高温退火后 InGaO 薄膜的 Nc 过高? 从图

4 可以看出? 相同的退火温度下? 氮气、 空气和氧气退火的 Nc 依次降低? 这说明高氧退火 可抑制 Nc ? 从而可在更高的温度范围内保持 TFT 器件的开关特性? 此外? 值得注意的是? 氧气退火 的Nc 虽然比空气退火的更低? 但μH反而略高? 这说明氧气退火能更好地修复产生陷阱态的氧空位缺 陷? 从而在 Nc 接近的情况下? 氧气退火获得了更高的 μH? 器件氮气退火的性能非常差 (很容易高 导)? 单对比

350 ℃的不同气氛已能说明问题? 因此做霍尔效应分析的时候未对氮气进行其他温度点 的测试?

3 结论 氧化物 TFT 的电学特性对工艺条件十分敏感? 其中退火工艺是获得优良电学性能的关键? 本文 ?

4 4 ? 第1期赵铭杰? 等: 退火对氧化铟镓薄膜晶体管电学特性的影响 研究了退火温度和气氛对 InGaO~TFT 电学特性的影响? 结果表明? 退火可改善器件的电学特性? 表现 为饱和区场效应迁移率 μsat 由1?