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基于铝自发氧化法的肖特基势垒金属氧化物薄膜晶体管

2022/11/4 15:32:42      材料来源:广东省科学院半导体研究所

在一项最近发表的研究中,广东省科学院半导体所的研究人员采用铝自发氧化法制备了基于低成本Cu/Al叠层源漏电极的高性能肖特基势垒IGZO薄膜晶体管(TFT),并实现肖特基势垒IGZO TFT开启电流的大幅度调控。

 

Fig. 1. (a) Schematic structure of IGZO TFTs based on Cu/Al stacked S/D electrodes. Output curves of IGZO TFTs with channel layer thicknesses of (b) 30 nm and (c) 10 nm. (d) Transfer curves of IGZO TFTs with different channel layer thicknesses.

 

Fig. 2. Schematic operating model of IGZO TFTs based on Cu/Al stacked S/D electrodes with channel layer thicknesses of (a) 30 nm and (b) 10 nm.

 

广东省科学院半导体研究所新型显示团队报道的基于Cu/Al叠层源漏电极的高性能肖特基势垒IGZO薄膜晶体管及其工作机理

 

相比于普通TFT,肖特基势垒TFT由于具有低饱和电压,高本征增益,良好的环境稳定性,显著减弱的短沟道效应以及能够实现低功耗等特征优势而在近年来受到广泛研究和关注。为实现源漏电极与IGZO沟道层间形成肖特基接触,先前的研究一般需对电极和IGZO沟道层的界面进行处理,包括氧等离子处理、通氧反应溅射或插入极薄的氧化物绝缘层,这增加了肖特基势垒器件制备工艺的复杂度或导致器件电学特性的严重衰退。

 

为了解决该问题,广东省科学院半导体研究所的研究人员采用Cu/Al叠层金属作为IGZO TFT的源漏电极,由于Al电极与IGZO接触部分通过退火易自发氧化生成一层极薄的AlOx薄膜(~3nm),叠层的源漏电极面向沟道层部分因此而形成Cu/AlOx/IGZO肖特基异质结,基于Cu源漏电极和AlOx插层制备的IGZO TFT表现出典型的肖特基接触特性证实了该肖特基异质结的存在(Fig.1)。

 

研究发现,通过调控IGZO沟道层的厚度,可实现该肖特基TFT电学特性的大幅调控。IGZO沟道层厚度为10nm时,器件表现出典型的肖特基势垒TFT特征,具有低至2.3V的饱和电压(VDS:0-20V),输出电流可高达80μA(VGS=20V);IGZO沟道层厚度为30nm时,器件的输出特性表现出类似欧姆接触TFT特征,所计算的器件表观场效应迁移率高达82.9cm2/Vs。详细的研究和讨论表明,Al/AlOx/IGZO异质结为欧姆接触结,具有显著小于Cu/AlOx/IGZO肖特基异质结的接触电阻,Al/AlOx/IGZO欧姆接触结的存在保证了电子大量注入IGZO沟道层的能力。源漏电极边缘IGZO层中的耗尽区(Cu/AlOx/IGZO肖特基异质结区)起类似阀门的作用,当沟道层厚度仅为10nm时,耗尽区延伸至IGZO层与栅介质的接触界面,耗尽区对电子注入沟道控制力强而使器件表现出典型的肖特基接触特性,当沟道层厚度为30nm时,耗尽区未延伸至IGZO与栅介质层的接触面,耗尽区对电子注入沟道的控制力弱化而使器件表现出类似欧姆接触的特性(Fig.2)。

 

目前,Cu电极已经广泛应用于中高端平板显示产品,该工作采用与显示工业相似的材料与工艺实现肖特基势垒IGZO TFT,对于促进肖特基势垒IGZO TFT的产业化应用具有借鉴意义。

 

“Fabrication of Schottky-Barrier-Oxide-Semiconductor Thin-film Transistors Via a Simple Aluminum Reaction Method” ,IEEE Electron Device Letters, 2022, 43,1882-1885.


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