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摘要：通过射频磁控溅射ZnO薄膜的方法制备了以ZnO为有源层的薄膜晶体管器件。研究了H2O2处理ZnO薄膜的不同位置对TFT器件的影响。采用PL测试表征材料的缺陷密度，用SEM表征了氧化处理前后的ZnO薄膜材料的表面形貌。结果表明利用H2O2处理ZnO薄膜与源漏电极的接触界面会使器件的关态电流降低2个数量级，氧化处理后的ZnO薄膜具有较低的缺陷密度和较好的结晶状态，TFT器件的电流开关比为7.5×105，阈值电压Vth为9V，亚阈值摆幅为2V/decade，场效应迁移率为0.85cm·V-1·s-1。
关键词：射频磁控溅射；ZnO薄膜；H2O2氧化处理
中图分类号：G642 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）12-0250-03
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Effect of H2O2 Oxidation Treatment of ZnO Channel Layer on Properties of Thin Film Transistors
LI Bo， GAO Xiao-hong， ZHANG Wen-tong， WANG Tian-yu， JIN Bao-chang
（Jilin Jianzhu University， College of Electrical and Computer Engineering， Changchun 130118， China）
Abstract： A thin film transistor device with ZnO as active layer was fabricated by RF magnetron sputtering of ZnO thin film. The effects of different positions of H2O2 treated ZnO thin films on TFT devices were investigated. The defect density of the material was characterized by PL test. The surface morphology of the ZnO thin film material before and after oxidation treatment was characterized by SEM. The results show that the contact interface between the ZnO thin film and the source-drain electrode treated with H2O2 reduces the off-state current of the device by two orders of magnitude. The oxidized ZnO film has lower defect density and better crystal state， and the current switching of the TFT device. The ratio is 7.5×105， the threshold voltage Vth is 9V， the subthreshold swing is 2V/decade， and the field effect mobility is 0.85cm·V-1·s-1.
Key words： RF magnetron sputtering； ZnO film； H2O2 oxidation treatment
1引言
近年來由于市场对柔性透明和超高分辨率显示技术的需求，金属氧化物的薄膜晶体管（MOTFT）因具有高迁移率、高电流开关比、良好的光学透明性和可低温大面积制备等优秀的材料特性而广受关注[1-3]。ZnO作为一种环保的低成本宽带隙半导体，具有非常稳定的电学，化学和光学性能，并已被广泛用作TFT的有源层材料[4-6]。但是在ZnO沟道层薄膜制备的过程中，尤其是在低温环境下沉积，ZnO薄膜很容易发生存在大量晶体缺陷的现象，通常认为ZnO薄膜材料内主要的晶体缺陷是氧空位（Vo）和锌间隙（Zni）[7，8]，这让使用ZnO薄膜作为沟道层的TFT器件难以得到并保持优良的器件性能，例如发生阈值电压的漂移、偏压不稳定性、滞回不稳定性等[9-11]。虽然有大量研究利用离子掺杂、热处理等方法降低了薄膜中的氧缺陷[12，13]，使薄膜的结晶质量有所提高，但热处理的方法无法使器件在柔性衬底上大面积制备，并且有些稀土元素如Ga、In等价格昂贵，不利于在工业生产中大量使用，更会破坏自然环境。我们在之前的研究中发现采用H2O2氧化处理ZnO薄膜的方法，可以在避免高温制备，又不必引入其他杂质离子的情况下，降低ZnO薄膜的缺陷密度，提高薄膜的结晶质量。本研究又对比了ZnO薄膜作为TFT器件沟道层时H2O2氧化处理源漏电极接触界面和氧化处理沟道对TFT器件的电学性能影响。
2实验
通过频磁控溅射的方法在p-Si衬底上沉积ZnO薄膜，p-Si衬底上有100nm热氧化的SiO2作为栅介电层，薄膜制备过程在室温下进行。首先，将清洗好的3片Si衬底放入衬底放入Kurt J.Lesker公司的PVD75 型磁控溅射设备中，使用射频磁控溅射方法沉积ZnO薄膜，靶材是纯度为99.99%的高纯ZnO陶瓷靶。先将真空度抽至5×10-5Torr，然后通入纯度为99.999%的Ar气，将气压保持在20mTorr，射频功率设定在50W对Ar气进行启辉。接着将Ar：O2设置为95%：5%，沉积时ZnO靶射频功率为100W，溅射压强为8 mTorr，薄膜厚度35nm，整个沉积过程在室温下进行，详细实验条件见表1。溅射结束后取出3片样本进行湿法光刻，取其中一片样本S2进行H2O2氧化处理，由于光刻胶的保护，器件的沟道未于H2O2接触，仅处理沟道层与源漏电极接触界面。接着3片样本通过电子束蒸发（E-Beam）蒸镀50nm金属Al源漏电极，取其中一片样本S3进行H2O2氧化处理，由于金属Al的保护，器件ZnO沟道层仅有沟道处与H2O2接触，S1为未进行H2O2氧化处理的TFT器件。沟道宽为300um长为10um，TFT结构如图1。两次H2O2氧化处理均使用3%浓度的H2O2水溶液浸泡30s，处理部位见图2。使用Keysight B1500A半导体参数测试仪测试TFT器件的电学性能；使用JEOL JSM-7610F拍摄扫描电子显微镜（SEM）图像；采用日本 HORIBA 公司的光致发光/拉曼（ PL /Raman）光谱仪在室温下对ZnO薄膜的光学特性进行表征，其中PL光谱使用波长为 325 nm的He-Cd激光器激发。 3结果与讨论
图3给出了ZnO TFT的转移特性曲线。S3为仅沟道被H2O2氧化处理的TFT器件丧失了器件性能无法通过加大栅压开启，这可能是因为沟道被H2O2氧化处理后晶体缺陷被修复而导致沟道处的载流子浓度过低。亚阈值摆幅反映了有源层与栅介电层界面的缺陷密度，缺陷越少则亚阈值摆幅越低，器件的响应速度越快。通过对比S1和S2可以看出沟道层与源漏电极接触界面被处理后的TFT器件亚阈值摆幅（SS）有所降低，器件的关态电流降低，电流开关比升高近2个数量级，场效应迁移率也随之升高，S2器件的电流开关比为7.5×105，阈值电压Vth为9V，亚阈值摆幅为2V/decade，场效应迁移率为0.85cm·V-1·s-1，详细器件性能见表2。
这是由于H2O2氧化处理降低了ZnO薄膜的缺陷密度，虽然使薄膜的载流子浓度略有降低，导致电流整体下降，但由于电荷陷阱的减少，使得载流子在传输过程中被捕获的几率大大降低，所以TFT器件的阈值电压被大大降低，亚阈值摆幅也因缺陷密度的降低而降低。
图4是H2O2氧化处理前后ZnO薄膜在室温下的光致发光光谱（PL），激发光源为325nm的激光器。可以看出处理前后薄膜的本征发光峰均在380nm，而处理后的ZnO薄膜处在可见光区范围内的缺陷发光峰强度大幅降低，这也符合之前的推论，被H2O2氧化处理后的薄膜缺陷密度降低，结晶质量变好。
4结论
使用射频磁控溅射的方法在p-Si衬底上沉積ZnO薄膜并进行H2O2氧化处理，以此为沟道层制成TFT器件。研究了H2O2氧化处理ZnO薄膜的不同位置对TFT器件的电学性能影响及薄膜的缺陷密度、表面形貌。H2O2氧化处理后的ZnO薄膜缺陷密度降低，结晶质量提高。仅处理沟道的器件因沟道处载流子浓度过低而无法开启；仅处理沟道层与源漏电极接触界面的TFT器件的电流开关比升高为7.5×105，亚阈值摆幅降低为2V/decade，阈值电压变优为9V，场效应迁移率升高为0.85cm·V-1·s-1。
参考文献：
[1] Kumomi H， Kamiya T， Hosono H. Advances in oxide thin-film transistors in recent decade and their future[J]. ECS Transactions， 2015， 67（1）： 3-8.
[2] Park S H K， Hwang C S， Jeong H Y， et al. Transparent ZnO-TFT arrays fabricated by atomic layer deposition[J]. Electrochemical and Solid-State Letters， 2008， 11（1）： H10-H14.
[3] Marette A， Poulin A， Besse N， et al. Flexible zinc–tin oxide thin film transistors operating at 1 kV for integrated switching of dielectric elastomer actuators arrays[J]. Advanced Materials， 2017， 29（30）： 1700880.
[4] Kaltenbrunner， M.， T. Sekitani， J. Reeder， T. Yokota， K. Kuribara， T. Tokuhara， M. Drack， R. Schwodiauer， I. Graz， S. Bauer-Gogonea， S. Bauer and T. Someya （2013）. "An ultra-lightweight design for imperceptible plastic electronics." Nature 499（7459）： 458-463.
[5] Rogers， J. A.， T. Someya and Y. Huang （2010）. "Materials and mechanics for stretchable electronics." Science 327（5973）： 1603-1607.
[6] Du， X. and G. S. Herman （2018）. "Transparent In-Ga-Zn-O field effect glucose sensors fabricated directly on highly curved substrates." Sensors
关键词：射频磁控溅射；ZnO薄膜；H2O2氧化处理
中图分类号：G642 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）12-0250-03
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Effect of H2O2 Oxidation Treatment of ZnO Channel Layer on Properties of Thin Film Transistors
LI Bo， GAO Xiao-hong， ZHANG Wen-tong， WANG Tian-yu， JIN Bao-chang
（Jilin Jianzhu University， College of Electrical and Computer Engineering， Changchun 130118， China）
Abstract： A thin film transistor device with ZnO as active layer was fabricated by RF magnetron sputtering of ZnO thin film. The effects of different positions of H2O2 treated ZnO thin films on TFT devices were investigated. The defect density of the material was characterized by PL test. The surface morphology of the ZnO thin film material before and after oxidation treatment was characterized by SEM. The results show that the contact interface between the ZnO thin film and the source-drain electrode treated with H2O2 reduces the off-state current of the device by two orders of magnitude. The oxidized ZnO film has lower defect density and better crystal state， and the current switching of the TFT device. The ratio is 7.5×105， the threshold voltage Vth is 9V， the subthreshold swing is 2V/decade， and the field effect mobility is 0.85cm·V-1·s-1.
Key words： RF magnetron sputtering； ZnO film； H2O2 oxidation treatment
1引言
近年來由于市场对柔性透明和超高分辨率显示技术的需求，金属氧化物的薄膜晶体管（MOTFT）因具有高迁移率、高电流开关比、良好的光学透明性和可低温大面积制备等优秀的材料特性而广受关注[1-3]。ZnO作为一种环保的低成本宽带隙半导体，具有非常稳定的电学，化学和光学性能，并已被广泛用作TFT的有源层材料[4-6]。但是在ZnO沟道层薄膜制备的过程中，尤其是在低温环境下沉积，ZnO薄膜很容易发生存在大量晶体缺陷的现象，通常认为ZnO薄膜材料内主要的晶体缺陷是氧空位（Vo）和锌间隙（Zni）[7，8]，这让使用ZnO薄膜作为沟道层的TFT器件难以得到并保持优良的器件性能，例如发生阈值电压的漂移、偏压不稳定性、滞回不稳定性等[9-11]。虽然有大量研究利用离子掺杂、热处理等方法降低了薄膜中的氧缺陷[12，13]，使薄膜的结晶质量有所提高，但热处理的方法无法使器件在柔性衬底上大面积制备，并且有些稀土元素如Ga、In等价格昂贵，不利于在工业生产中大量使用，更会破坏自然环境。我们在之前的研究中发现采用H2O2氧化处理ZnO薄膜的方法，可以在避免高温制备，又不必引入其他杂质离子的情况下，降低ZnO薄膜的缺陷密度，提高薄膜的结晶质量。本研究又对比了ZnO薄膜作为TFT器件沟道层时H2O2氧化处理源漏电极接触界面和氧化处理沟道对TFT器件的电学性能影响。
2实验
通过频磁控溅射的方法在p-Si衬底上沉积ZnO薄膜，p-Si衬底上有100nm热氧化的SiO2作为栅介电层，薄膜制备过程在室温下进行。首先，将清洗好的3片Si衬底放入衬底放入Kurt J.Lesker公司的PVD75 型磁控溅射设备中，使用射频磁控溅射方法沉积ZnO薄膜，靶材是纯度为99.99%的高纯ZnO陶瓷靶。先将真空度抽至5×10-5Torr，然后通入纯度为99.999%的Ar气，将气压保持在20mTorr，射频功率设定在50W对Ar气进行启辉。接着将Ar：O2设置为95%：5%，沉积时ZnO靶射频功率为100W，溅射压强为8 mTorr，薄膜厚度35nm，整个沉积过程在室温下进行，详细实验条件见表1。溅射结束后取出3片样本进行湿法光刻，取其中一片样本S2进行H2O2氧化处理，由于光刻胶的保护，器件的沟道未于H2O2接触，仅处理沟道层与源漏电极接触界面。接着3片样本通过电子束蒸发（E-Beam）蒸镀50nm金属Al源漏电极，取其中一片样本S3进行H2O2氧化处理，由于金属Al的保护，器件ZnO沟道层仅有沟道处与H2O2接触，S1为未进行H2O2氧化处理的TFT器件。沟道宽为300um长为10um，TFT结构如图1。两次H2O2氧化处理均使用3%浓度的H2O2水溶液浸泡30s，处理部位见图2。使用Keysight B1500A半导体参数测试仪测试TFT器件的电学性能；使用JEOL JSM-7610F拍摄扫描电子显微镜（SEM）图像；采用日本 HORIBA 公司的光致发光/拉曼（ PL /Raman）光谱仪在室温下对ZnO薄膜的光学特性进行表征，其中PL光谱使用波长为 325 nm的He-Cd激光器激发。 3结果与讨论
图3给出了ZnO TFT的转移特性曲线。S3为仅沟道被H2O2氧化处理的TFT器件丧失了器件性能无法通过加大栅压开启，这可能是因为沟道被H2O2氧化处理后晶体缺陷被修复而导致沟道处的载流子浓度过低。亚阈值摆幅反映了有源层与栅介电层界面的缺陷密度，缺陷越少则亚阈值摆幅越低，器件的响应速度越快。通过对比S1和S2可以看出沟道层与源漏电极接触界面被处理后的TFT器件亚阈值摆幅（SS）有所降低，器件的关态电流降低，电流开关比升高近2个数量级，场效应迁移率也随之升高，S2器件的电流开关比为7.5×105，阈值电压Vth为9V，亚阈值摆幅为2V/decade，场效应迁移率为0.85cm·V-1·s-1，详细器件性能见表2。
这是由于H2O2氧化处理降低了ZnO薄膜的缺陷密度，虽然使薄膜的载流子浓度略有降低，导致电流整体下降，但由于电荷陷阱的减少，使得载流子在传输过程中被捕获的几率大大降低，所以TFT器件的阈值电压被大大降低，亚阈值摆幅也因缺陷密度的降低而降低。
图4是H2O2氧化处理前后ZnO薄膜在室温下的光致发光光谱（PL），激发光源为325nm的激光器。可以看出处理前后薄膜的本征发光峰均在380nm，而处理后的ZnO薄膜处在可见光区范围内的缺陷发光峰强度大幅降低，这也符合之前的推论，被H2O2氧化处理后的薄膜缺陷密度降低，结晶质量变好。
4结论
使用射频磁控溅射的方法在p-Si衬底上沉積ZnO薄膜并进行H2O2氧化处理，以此为沟道层制成TFT器件。研究了H2O2氧化处理ZnO薄膜的不同位置对TFT器件的电学性能影响及薄膜的缺陷密度、表面形貌。H2O2氧化处理后的ZnO薄膜缺陷密度降低，结晶质量提高。仅处理沟道的器件因沟道处载流子浓度过低而无法开启；仅处理沟道层与源漏电极接触界面的TFT器件的电流开关比升高为7.5×105，亚阈值摆幅降低为2V/decade，阈值电压变优为9V，场效应迁移率升高为0.85cm·V-1·s-1。
参考文献：
[1] Kumomi H， Kamiya T， Hosono H. Advances in oxide thin-film transistors in recent decade and their future[J]. ECS Transactions， 2015， 67（1）： 3-8.
[2] Park S H K， Hwang C S， Jeong H Y， et al. Transparent ZnO-TFT arrays fabricated by atomic layer deposition[J]. Electrochemical and Solid-State Letters， 2008， 11（1）： H10-H14.
[3] Marette A， Poulin A， Besse N， et al. Flexible zinc–tin oxide thin film transistors operating at 1 kV for integrated switching of dielectric elastomer actuators arrays[J]. Advanced Materials， 2017， 29（30）： 1700880.
[4] Kaltenbrunner， M.， T. Sekitani， J. Reeder， T. Yokota， K. Kuribara， T. Tokuhara， M. Drack， R. Schwodiauer， I. Graz， S. Bauer-Gogonea， S. Bauer and T. Someya （2013）. "An ultra-lightweight design for imperceptible plastic electronics." Nature 499（7459）： 458-463.
[5] Rogers， J. A.， T. Someya and Y. Huang （2010）. "Materials and mechanics for stretchable electronics." Science 327（5973）： 1603-1607.
[6] Du， X. and G. S. Herman （2018）. "Transparent In-Ga-Zn-O field effect glucose sensors fabricated directly on highly curved substrates." Sensors