退火温度对溶胶_凝胶法制备锌锡氧化物薄膜晶体管的影响_罗文彬

第34卷第11期2013年11月

发光学报

CHINESE JOUＲNAL OF LUMINESCENCE

Vol.34No.11

Nov．，2013

文章编号：1000-7032（2013）11-1550-05

退火温度对溶胶-凝胶法制备锌锡氧化物薄膜晶体管的影响

罗文彬，陈文彬*

（电子科技大学光电信息学院四川省显示科学与技术重点实验室，四川成都610054）

摘要：采用溶胶-凝胶法制备了非晶锌锡氧化物（ZTO）薄膜晶体管（TFT），通过热重-差热分析（TG-DTA）对ZTO胶体中的化学反应进行了分析，研究了不同退火温度对ZTO TFTs性能的影响。结果表明：当退火温度在300 500?范围内时，薄膜为非晶态结构，薄膜表面致密、平整。当退火温度达到400?时，薄膜在可见光范围内具有高透过率（＞85%）。随着退火温度的升高，器件阈值电压明显降低，由15．85V降至3．76V，载流子迁移率由0．004cm2·V－1·s－1提高到5．16cm2·V－1·s－1，开关电流比达到105。退火温度的升高明显改善了ZTO TFT的电学性能。

关键词：溶胶-凝胶法；退火温度；薄膜晶体管；电学性能

中图分类号：O484文献标识码：A DOI：10．3788/fgxb20133411．1550

Influence of Annealing Temperature on Zinc-Tin-Oxide

Thin Film Transistors Prepared by Sol-gel Method

LUO Wen-bin，CHEN Wen-bin*

（School of Optoelectronic Information，Key Display Laboratory of Science and Technology of Sichuan，

University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu610054，China）

*Corresponding Author，E-mail：chenwb@uestc．edu．cn

Abstract：Zinc-tin-oxide（ZTO）thin film transistors（TFTs）were fabricated by sol-gel method．Thermogravimetric and differential thermal analyses（TG-DTAs）were performed to investigate the chemical reactivity in the ZTO solutions．The effects of annealing temperatures on characteristics of ZTO-TFTs were investigated in this paper．With the increasing of annealing temperatures，all sam-ples are amorphous，and surface is uniform．The ZTO thin films annealed at400?and500?are highly transparent（＞85%）in the visible region．When the annealing temperature increased from 300?to500?，the threshold voltage of solution-processed ZTO TFTs decreased from15．85V to 3．76V，and the saturation mobility increased from0．004cm2·V－1·s－1to5．16cm2·V－1·s－1．

I on /I

off

current ratio of105was obtained at500?．

Key words：sol-gel；annealing temperature；thin film transistors；electrical characteristics 收稿日期：2013-07-01；修订日期：2013-08-22

基金项目：四川省应用基础研究项目（2010JY003）资助

作者简介：罗文彬（1988－），男，四川绵阳人，主要从事氧化物薄膜晶体管方面的研究。

E-mail：jfkkf123@gmail．com，Tel：（028）83202612

第11期罗文彬，等：退火温度对溶胶-凝胶法制备锌锡氧化物薄膜晶体管的影响1551 1引言

金属氧化物在透明导电薄膜、电容器及绝缘

材料等方面已经得到了广泛的研究。特别是以氧

化锌（ZnO）及氧化锡（SnO2）为主的透明导电薄

膜，因其较好的导电性能而被应用在太阳能电

池［1］、传感器［2］和显示器件［3］中。最近几年，金

属氧化物作为半导体材料吸引了研究人员的广泛

关注［4-6］。以非晶硅半导体材料为有源层的薄膜

晶体管（Thin film transistors，TFTs）存在载流子迁

移率过低（ 1cm2·V－1·s－1）的问题，难以满足

现代显示器件的需要；而以ZnO为主的金属氧化

物半导体则具有更高的载流子迁移率、更高的化

学稳定性及可靠性，所以近年来ZnO基TFT成为

平板显示领域的研究热点。虽然氧化锌薄膜作为

半导体材料具有较好的性能，但是其表面微观结

构呈现为多晶结构，给载流子在输运过程中带来

散射影响，降低了薄膜的电学性能。为了克服单

一成分的缺陷，近些年来出现了以InZnO［7］、

YZnO［8］、ZTO［9］、InGaZnO［10］等多元氧化物材料

为有源层的TFT。传统的TFT制备方法包括物理

气相沉积（PVD）法［11］、脉冲激光沉积（PLD）

法［12］以及原子层沉积（ALD）法［13］等，这些制备

方法要求高真空环境，需要高耗费的设备，而溶

胶-凝胶法则对设备要求很低。目前，已有一些研

究人员采用溶胶-凝胶法制备了ZTO TFT［14-15］，但

研究还不够细致和深入。

本文采用低成本的溶胶-凝胶法制备了非晶

锌锡氧化物（a-ZTO）薄膜并以此薄膜作为TFT的

有源层，研究了退火温度对器件阈值电压、载流子

迁移率、开关电流比的影响。

2实验

2．1ZTO溶胶的配制

实验中将分析纯的乙酸锌（Zn（CH3COO）2·

2H

2O）、二水合氯化亚锡（SnCl

2

·2H

2

O）按1?1的

量比溶解于乙二醇甲醚（C3H8O2）中，制得Zn和Sn离子的量比为1?1、总浓度为0．1mol/L的透明溶液。为了使溶液化学性能稳定，在溶液中加入适量的乙醇胺（C2H7NO）作为稳定剂。将溶液在50?下磁力搅拌2h，然后采用0．22μm聚四氟乙烯针头过滤器过滤，并在室温下陈化24h，最后采用旋转涂布法形成薄膜。

本文采用TFT结构为底栅顶接触型，如图1所示。p型重掺杂（p+）硅片作为TFT的衬底及栅电极，通过热氧化在p+-Si上形成200nm厚的

SiO

2

作为绝缘层。在4000r/min的转速下，将

ZTO溶胶在SiO

2

薄膜上旋涂30s，形成ZTO有源层，薄膜经200?热板加热5min。为了得到90 nm厚的TFT有源层，重复上述步骤，然后分别在300，400，500?空气环境下退火处理1h。最后，采用磁控溅射方法制备一层Al金属薄膜，通过剥离工艺光刻出100nm厚的源漏电极，源漏电极的宽和长分别为1000μm及100μm。

图1TFT结构示意图

Fig．1Schematic of ZTO TFTs

2．2测试仪器

通过NETZSCH公司的TG-209-F1型热重分析仪对ZTO胶体的化学反应过程进行分析。利用X-Pert-Pro-MPD型X射线衍射仪（XＲD）对薄膜样品进行微观结构分析。采用JEOL公司的JSM-6610lV扫描电子显微镜（SEM）观察薄膜的表面形貌。采用UV1700型紫外可见分光光度仪测试薄膜的透过率，扫描范围为300 900nm。在暗室环境中，通过KEITHLEY4200SCS对器件的电学性能进行测试。

3结果与讨论

采用热重-差热（TG-DTA）分析对ZTO溶胶的化学反应进行分析，结果如图2所示。从图中可以看出在100?C附近出现了明显的重量衰减，这是由于乙二醇甲醚溶剂、乙醇胺稳定剂的热分解以及Zn（CH3COO）2·2H2O、SnCl2·2H2O金属盐的水解造成的：2H2O+y SnCl2·2H2O→

x Zn（OH）

2

+y Sn（OH）

4

+2x CH

3

COOH↑+2y HCl↑+

y H

2

↑。在265?附近有一个大的放热峰值，这是由于Zn（Sn）—OH中氢氧根的脱离以及ZTO 化合物的形成造成的：x Zn（OH）2+y Sn（OH）4→

Zn

x

Sn

y

O（x+2y）+（x+2y）H

2

O↑。样品重量在

1552发光学报

第34卷

90100

姿/nm

W e i g h t l o s s /%

100

604020099.6℃265.4℃0200

300400

500

-0.35

-0.30-0.25-0.20-0.15-0.10-0.050图2

ZTO 的热重-差热分析

Fig．2

Weight loss and heat flow as functions of the tempera-ture for the ZTO solution

400?后基本保持不变，所以最佳退火温度应该在400?以上。

图3（a ）为150nm 厚的ZTO 薄膜在不同退火温度下的XＲD 谱。由图3（a ）可知，300 500?退火的ZTO 薄膜为非晶态结构。图3（b ）为ZTO 薄膜经过500?退火1h 后的SEM 图片，可以看出ZTO 薄膜致密、平整。图4为不同退火温度下的透过率。随着退火温度的升高，150nm 厚的ZTO 薄膜的透过率增大，这可能是因为在温度由300?升至400?的过程中，薄膜中C 及Cl 等

2060

2兹/（°）

I n t e n s i t y /a .u .

10304050300℃400℃500℃

（a ）

（b ）

图3（a ）不同退火温度下的ZTO 薄膜的XＲD 图谱；（b ）500?退火温度下的ZTO 薄膜的SEM 图片Fig．3

（a ）XＲD pattern of ZTO thin films with different an-nealing temperature．（b ）SEM image of ZTO thin film annealed at 500?．

100

80400

800

姿/nm

T r a n s m i t t a n c e /%

300

500

600700

900

6040200500℃

400℃300℃

图4不同退火温度下的ZTO 薄膜的透过率

Fig．4

Transportation of ZTO thin films at different annealing temperature

杂质元素减少，降低了薄膜对光的吸收和散射，所以薄膜透过率提高。在400?以上，

薄膜内杂质基本除尽，透过率基本不变。退火温度达到400?后，薄膜在可见光范围内的平均透过率达到了85%。

图5（a ）为退火温度为500?的ZTO TFT 的输出特性曲线。随着栅压V GS 的增大，源漏电流I DS 明显增加，体现出V GS 对I DS 很好的控制作用并且具有饱和电流，表明该ZTO TFT 是n 型器件。

0.4525V DS /V

I D S /m A

10

152030

0.30.20.100.5

0V

10V 20V 30V

（a ）

-1020V GS /V

I D S /m A

-20

01030

1E-10

500℃（b ）1E-9

1E-81E-71E-61E-51E-41E-3400℃300℃

图5（a ）退火温度为500?时的输出特性曲线；（b ）不同退火温度下的转移特性曲线，

V DS =30V 。Fig．5

（a ）Output characteristics of the ZTO TFT annealed at 500?；（b ）Transfer characteristics of the ZTO TFT annealed at different temperature with V DS =30V．

第11期罗文彬，等：退火温度对溶胶-凝胶法制备锌锡氧化物薄膜晶体管的影响1553

图5（b）为V DS=30V时，不同退火温度下ZTO

TFT的转移特性曲线。表1列出了不同退火温度

的器件的性能参数。根据I1/2D V GS的线性部分可以

得到阈值电压V th。由公式（1）［16］可计算出饱和

区的饱和迁移率μSAT：

I D =μ

SAT

WC

i

2L

（V

G

－V

TH

）2，（1）

其中W和L分别为沟道宽和长，C i为单位面积

SiO

2

绝缘层的电容。当退火温度为300?时，ZTO TFT的电学性能较差，饱和迁移率仅为0．004cm2·V－1·s－1，电流开关比为102。这是因为薄膜在300?附近时还存在大量的Zn（OH）2及Sn（OH）4，从而严重影响了器件性能。当退火温度由300?升高到500?后，器件阈值电压由15．85V降低到3．76V，饱和迁移率升高到5．16 cm2·V－1·s－1，开关电流比提高至105。退火温度的升高增大了薄膜中载流子的浓度，降低了

ZTO/SiO

2

界面间的缺陷，减少了薄膜内孔状结构数量，因而器件电学性能得到提高。

表1ZTO TFT电学性能参数

Table1Electric parameters of ZTO TFT

Annealing

temperature/?

V

th

/

V

μSAT/

（cm2·V－1·s－1）

I

on

/I

off 30015．850．004102

4008．571．21103

5003．765．16105

4结论

采用溶胶-凝胶法制备了非晶态锌锡氧化物薄膜晶体管（a-ZTO TFT），研究了300 500?退火温度对器件电学性能的影响。研究结果表明，当退火温度由300?升高至500?后，ZTO TFT 的阈值电压由15．85V逐渐降低至3．76V，饱和迁移率由0．004cm2·V－1·s－1提高到5．16cm2·V－1·s－1，开关电流比达到105。升高退火温度使得器件性能得到显著提高。

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