姚绮君，李德杰
清华大学电子工程系, （100084）
E-mail：yqj01@yahoo
摘 要：本文介绍了一种以射频溅射ZnO材料为有源层的薄膜晶体管。在器件有源层制作中通过气氛控制、添加栅网屏蔽等方法改善器件性能。最终晶体管的导通电流达到10－4A量级，整个制作过程处理温度控制在300℃以下，工艺简单且适用于大面积生产。经过初步的分析，可以认为以ZnO材料为有源层的薄膜晶体管，可以满足MIM或MISM型场发射显示阴极的驱动需要。 关键词：薄膜晶体管；氧化锌；射频磁控溅射；场发射显示
1. 引言
薄膜晶体管（thin film transistor, TFT）近些年来被广泛应用于液晶显示器，使液晶显示器成功达到了大屏幕清晰显示的效果，在商业上取得了巨大的成功。其它一些平面显示技术，如有机电致发光（OLED）[1]、场发射（FED）[2]，和图象传感技术[3]，也都在尝试与TFT技术相结合，并达到了较好
的效果。但总的来说，目前所流行的基于硅材料的TFT，由于其自身材料性质的限制，存在着处理温度和材料迁移率之间的矛盾，要获得大的导通电流就需要比较高的温度。另外硅材料有比较大的光电流，用于显示器件时必须要制作遮光层，这也在一定程度上增加了其工艺的复杂性。
国外近期也报道了一些其他材料制作TFT的初步结果。其中以ZnO薄膜作为有源层的TFT[4][5][6][7]，具有材料制作工艺成熟，透光好，受光辐射影响小，导通电流大的特点，但这些研究主要是面向有机电致发光或透明电路（Transparent Electronics）方向的应用。
本文将介绍一种使用射频溅射ZnO薄膜作为有源层的薄膜晶体管，制作工艺的设计主要面向本实验室制作的MIM或MISM型场发射显示阴极的驱动[8]。整个制作过程中处理温度控制在300℃以下，理论上适于大面积生产。最终器件导通电流在10－4A量级，开关比大于105。
2. 实验过程
ZnO TFT结构如图1，选用了TFT的倒置结构。其导电沟道长为10μm，长宽比为5。衬底采用制板玻璃，电极由直流溅射的Mo膜构成。绝缘层采用了直流反应溅射的Ta2O5。栅极和有源层图形均用光刻腐蚀方法制备，源极漏极图形用光刻抬离制备。ZnO薄膜用直径6.5cm的陶瓷靶射频溅射制备，真空系统本压强控制在1.3×10-3Pa左右，溅射气压2.0Pa，射频功率密度为3w/cm2。基片用卤钨灯加热，温度控制在250℃（热耦测得的是石墨加热台中的温度）。有源层膜厚用溅射时间控制，然后用台阶
仪测量，一般控制在50nm。在溅射过程中尝试使用不锈钢栅网屏蔽基片，并且适量通入O2以减少ZnO薄膜中的氧缺位。在通入氧
1 本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金(20020003101)资助。
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静电场复习-
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气的情况下，氩气氧气流量比33：2。
图1 ZnO TFT结构
3. 实验结果制定地方大气污染物排放标准的技术方法
图2是ZnO膜层工艺不同时器件转移特性的比较，其中样品A是在ZnO膜层溅射中同时添加栅网屏蔽和氧气的结果；样品B是在溅射中只添加栅网屏蔽，未加氧气的结果；样品C在溅射中只添加了氧气，未加栅网屏蔽；样品D溅射中既没有添加栅网屏蔽也没有加氧气。可见在溅射气氛中引入氧气和添加栅网都有增大器件开关比的作用。
图 2 ZnO膜层工艺不同时器件转移特性的比较
图3是漏极电压较高时器件的转移特性。图中也加上了绝缘层的漏电流作为参考。从图中可以看出器件的开关比在105以上。在V GS＝30V，V DS＝10V的情况下，器件达到了最大电流200μA。
器件的输出特性如图4所示，由于工作电压太低，器件主要工作在线性区。另外从图中也可以看出，器件饱和特性不明显，这是可以从前面的转移特性中得到解释的。在ZnO TFT 中，漏极电流在阈值以下随电压的变化速度是逐渐趋缓的，栅压增大到一定程度后，曲线已经直接趋向线性变化，而不是像MOS晶体管，在反型层出现时电流变化有突然的转折，也不像在一些硅材料的晶体管中，可以出现类似的转折点。因此器件的沟道中不会突然出现夹
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断的现象，而是随着漏极电压的增长器件慢慢的进入饱和。这使得器件的饱和特性不像MOS 晶体管和很多硅材料TFT中那么好。
图 3 器件的转移特性
图 4 器件的输出特性
4. 结果讨论
MISM场发射显示阴极的驱动电路如图5所示。电路对于电流驱动用的TFT开关比要求不高，但是要求
管子可以承受大电流。在阴极发射过程中，为在短时间内达到一定的亮度，管子流过的电流应该在10－4A量级。在关断过程中，漏电流则最好小于10－7A以使阴极电容结构在比较长的时间内不会被充压至发射电压阈值。经过对以ZnO为有源层的TFT的实验可以发现这一类型的TFT是可以满足这些要求的。
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河南发生纵火案
图 5 MISM场发射显示阴极的驱动电路
5. 结论
本文介绍了一种新型的，以ZnO材料为有源层的薄膜晶体管。其应用主要面向对本实验室制作的MIM或MISM型场发射显示阴极的驱动。有源层制作中通过气氛控制、添加栅网屏蔽等方法改善器件性能。最终晶体管的导通电流达到10－4A量级，整个制作过程处理温度控制在300℃以下，工艺简单且适用于大面积生产。经过初步的分析，可以认为以ZnO材料为有源层的薄膜晶体管，可以满足MIM或MISM型场发射显示阴极的驱动需要。
参考文献
[1] Pribat D, Plais F. Matrix addressing for organic electroluminescent displays [J]. Thin Solid Films, 2001, 383: 25-30.
[2] Kim D H, Song Y H, Cho Y R et al. Integration and Characterization of Amorphous Silicon Thin-Film Transistor and Mo-Tips for Active-Matrix Cathodes [J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2002, 49(7): 1136-1142.
巨星影业>索溪峪的野教学实录[3] Lu J P, Van Schuylenbergh K, Ho J et al. Flat panel imagers with pixel level amplifiers based on p
olycrystalline silicon thin-film transistor technology [J]. Applied Physics Letters, 2002, 80(24): 4656-4658.
[4] Carcia P F, McLean R S, Reilly M H et al. Transparent ZnO thin-film transistor fabricated by rf magnetron sputtering [J]. Applied Physics Letters, 2003, 82(7): 1117-1119.
鲁友社区[5] Hoffman R L, Norris B J, Wager J F. ZnO-based transparent thin-film transistors [J]. Applied Physics Letters, 2003, 82(5): 733-735.
[6] Masuda S, Kitamura K, Okumura Y et al. Transparent thin film tansistors using ZnO as an active channel layer and their electrical properties [J]. Journal of Applied Physics, 2003, 93(3): 1624-1630.
[7] Nishii J, Hossain F M, Takagi S et al. High mobility thin film transistors with transparent ZnO channels [J]. Japanese Journal of Applied Physics, 2003, 42(4): L347-L349
[8] 李德杰，王磊，孙林. 用于平面显示的MISM结构阴极[J]. 真空科学与技术学报，2001，21（2）：143-146.
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ZnO Thin Film Transistors
Yao Qijun, Li Dejie
Department of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beijing, China（100084）
Abstract
Thin film transistors with rf sputtered ZnO as an active channel layer is introduced in this paper. Device performance is improved by controlling sputtering atmosphere and adding metal grid shielding during the depositing process of semiconductor layer. The ON current is increased to more than 10-4A as a result. The fabrication process is easy to handle with temperature controlled below 250℃ and can be applied to large area devices. Analysis is made on considering the ability of ZnO based thin film transistor to drive MIM or MISM field emission cathode. Keywords: thin film transistor; ZnO; rf magnetron sputtering; field emission display
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