氧等离子体和UV辐射对Oxide-TFT性能影响的文献调研报告

氧等离子体和UV辐射对Oxide-TFT性能影响的文献调研报告

1 TFT的结构和工作原理

薄膜晶体管（Thin Film Transistor）一般由栅极、有源层、绝缘层、源漏电极构成，如图一所示。按照栅极的位置，可以把薄膜晶体管具体分为底栅（图a，b）和顶栅（图c，d）两种结构。进一步我们按照源漏极、绝缘层与有源层的位置不同，又可分为顶接触结构（图a，c）和底接触结构（图b，d）。

图1.1 薄膜晶体管结构示意图

虽然TFT的结构各有不同，但是其工作原理是大同小异的，如图二。在TFT工作过程中，将 TFT的源极接地，在栅极加上正电压VGS，栅极和半导体层之间就形成了以绝缘层为介质的平板电容器。当 VGS增大时，一方面排斥绝缘层上面沟道区域的空穴，留下载流子耗尽层。另一方面，在半导体界面处会有感应电子累积，形成反型层。感应出的表面电荷的多少受到施加的栅极电压大小的影响。这时在源漏极之间加上电压，就会有输出电流产生。

图1.2 TFT工作原理示意图

氧化物半导体如ZnO，In2O3，InGaZnO等不仅迁移率比非晶硅高而且光学透过率高，还

可以在低温工艺下制备，因此在AMLCD中使用低温透明氧化物必将有广阔的发展前景。

氧气浓度是影响 TFT 特性的一个关键参数，因为氧空位是自由载流子的主要来源。通过优化氧气浓度，器件可以得到很高的迁移率，表现出更好的性质。在器件制造完成后，在氧气氛围中退火可以影响半导体层的氧气浓度，更有效的降低电子陷阱的密度，这有助于提高TFT的性能。

2 氧等离子体对Oxide-TFT的影响

Brillson[1]在室温条件下对ZnO进行氧气等离子体处理，以减少表面吸附杂质，发现ZnO与Au，Pt，Ir的肖特接触均有显著的改善，处理后肖特基的势垒高度变大，理想因子减小。氧等离子体处理减少了表面吸附杂质以及浅表面本征点缺陷，提供了一个更好的肖特基接触表面。Y.P. Deng团队[2]也通过实验发现O2等离子体处理可以通过减小MIZO膜的表面吸附物和表面缺陷，阻止表面电子积累层的形成来改善Pt/ZnO接触的肖特基特性。

Seungjun[3]研究了氧气等离子体处理对ALD生长的ZnO-TFT性能的影响，ZnO膜作为沟道层。随着等离子体处理时间的增加，薄膜中的氧空位含量从27.6%下降为19.4%，载流子浓度从4.9×1015cm-3减小到1.2×1014cm-3。制备TFT的开关比提高了两个数量级，亚阈值摆幅减小，但是器件的载流子迁移率也相应降低。

表1 不同时间长度氧等离子体处理ZnO-TFT的电学性能

研究人员认为氧气等离子体处理减少了薄膜中的氧空位缺陷，能有效的控制ZnO-TFT电学性能。随着等离子体暴露时间的增加，氧等离子体处理期间吸收的氧减少了ZnO膜的氧空位并松散地结合到它们的表面上。在这些ZnO-TFT中，由于低温等离子体氧化，氧原子没有扩散到界面沟道区。因此，表面沟道区的电阻高，而界面沟道区的电阻保持低，导致低的Ioff和大的Ion/Ioff。氧等离子体处理减少OH键和H2O分子并且在薄膜表面引入O2分子，改善SS值，μsat减小，此外Vth由于载流子浓度降低和表面上吸收氧分子而在正方向上移动。因此，氧等离子体处理是控制ZnO TFT的电性能的有效方法。

Chun-Feng Hu等人[4]用溶胶-凝胶法制备了底栅结构的掺杂Mg的IZO-TFT，进行O2和Ar等离子体处理，并且研究它们对器件电性能的影响。等离子体处理期间的退火效应使得晶粒生长，膜的粗糙度增加。XPS结果显示在等离子体处理之后氧空位增加，改善了迁移率，同时发现等离子体处理之后沟道层载流子浓度增加，Ion/Ioff比增大和Vth较大负偏移的明显增加。

R. Hu[5]研究小组用金属有机化学气相沉积（MOCVD）制备的In2O3沟道层的薄膜晶体管。通过O2等离子体对In2O3薄膜进行处理。通过XPS和霍尔效应测量表明，在O2等离子体处理过程中，离子轰击和离子吸附效应共存，离子吸附效应占优势, 使得化学吸附的氧显着增加。图2.1表示随O2等离子体处理时间的In2O3表面的功函数（表面费米能级和真空能级之间的电势差）。随着等离子体处理时间的增加，功函数增加。这表明吸附的氧离子弯曲了In2O3的能带，并从表面和晶界消耗了In2O3。

图2.1 通过KFM测量的In2O3表面的功函数

在沉积的In2O3沟道层中存在太高的背景载流子密度。在O2等离子体处理之后，In2O3沟道层的背景载流子密度随着等离子体处理时间的增加而降低，获得TFT的典型传输特性。当等离子体处理时间增加时，观察到Von的正偏移。

3 UV辐射对Oxide-TFT性能的影响

Jeong-Soo Lee等人[6]用UV处理溶液法制备的ZTO和IGZO有源层，经霍尔测量发现，当UV处理时间增加时，IGZO和ZTO膜的载流子浓度增加，使得阈值电压降低，并且因此饱和迁移率增加。这是因为UV光子能量高于氧化物半导体的带隙而产生了电子-空穴对。从而证实UV处理可以降低退火温度，这对于低温生产柔性显示器背板有很大意义。

Himadri Majumdar [7]研究了两种不同波长的UV退火对金属氧化物TFT性能的影响。发现短波FUV照射比长波UV-A照射的半导体样品的迁移率更高。这是由于FUV具有的能量可以破坏氧键（HO-H）来诱导水的光解，并产生羟基自由基（OH）和原子氢（H），加速溶胶-凝胶MO前体膜的缩合反应。

Bo-Yuan Su [8]研究了UV-Ozone处理对溶胶-凝胶法生长的非晶InGaZnO（IGZO）TFT的性能影响。为了确定由UV-Ozone处理引起的微结构变化，使用n-k分析仪卤素灯光线入射下的折射率。发现折射率随UV-Ozone处理时间增长加而增大，进一步计算发现IGZO膜原子堆积密度随之也增大。此外发现经过UV-Ozone处理，膜表现出较高的亲水性，因此与源漏电极间具有较好的粘附性能和较大的表面粘合力。在UV-Ozone处理后，大大降低了IGZO膜的氧空位和表面吸附氧比率。

Hsin-lu Chen [9]研究了使用UV处理超临界CO2流体（SCCO2）来改善In-Ga-Zn-O（IGZO）TFT器件的性能。在这项研究中，在SCCO2环境中在不同的UV照射条件下通过溅射沉积非晶IGZO膜。在用UV处理SCCO2之后，TFT的迁移率和亚阈值摆动可以显着改善。

图3.1 钝化机理示意图

Hsin-lu Chen等人提出模型来解释改善机理。在UV的帮助下，悬挂键可以被OH化学基团有效钝化，如图3.1所示。未处理的IGZO膜具有许多悬空键作为陷阱，这些悬空键可能在能带中产生深的缺陷。SS将受到那些深陷阱的严重影响。在SCCO2处理的情况下，晶界中的深陷阱可以被OH化学基团钝化来抑制缺陷诱发势垒。然而，由SCOO2钝化的键由于内部应力不完全结合而不能完全释放，导致许多深陷阱变成浅陷阱，浅陷阱将使迁移率的降低。而UV可以破坏弱应变键，释放膜中的应力，为IGZO膜中的完美键合重建铺平道路。从而迁移率和SS得到改善。

4总结

氧等离子体处理有源层通过使薄膜表面缺陷减小，提高源漏极与半导体层间肖特基接触特性和降低薄膜中载流子浓度，增大薄膜电阻率，来控制TFT器件的电学性能。但研究人员都只研究了不同氧等离子体处理时间和不同退火温度的组合对TFT性能的影响，也可研究不同氧等离子体功率及与压强组合的影响。

UV辐射同样可使得薄膜表面缺陷减小和使半导体层与源漏电极间具有较好的粘附性能来提高TFT器件工作性能。研究也多是集中在探究UV辐照时间的变化对TFT影响，对UV频率、波长不同对TFT影响的实验不多。

氧等离子体和UV辐射处理都可以不同程度改善TFT器件电学性能，但不同成分的半导体层及其制备方式和退火温度的组合需要权衡与优化，以获取最佳需要的性能。

参考文献

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[9] Hsin-lu Chen, Ting-Chang Chang, Tai-Fa Young, Tsung-Ming Tsai, Kuan-Chang Chang, Rui Zhang, Sheng-Yao Huang, Kai-Huang Chen, J. C. Lou, Min-Chen Chen, Chih-Cheng Shih,Syuan-Yong Huang, and Jung-Hui Chen, Ultra-violet light enhanced super critical fluid treatment in In-Ga-Zn-O thin film transistor. APPLIED PHYSICS LETTERS[J],2014,104(24).

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/3cd85f0d591b6bd97f192279168884868762b866.html