基于铜肖特基接触的肖特基势垒IGZO薄膜晶体管

近日，广东省科学院半导体研究所新型显示团队联合华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室在知名学术期刊《Applied Physics Letters》发表了题为“Insight into the evolution of electrical properties for Schottky-barrier IGZO thin-film transistors with Cu-based Schottky contacts”的学术论文，并被编辑选为“Editor's Pick”文章（Editor's Picks serve to highlight articles with excellent scientific quality and are representative of the work taking place in a specific field）。

图1 研究成果被标注为编辑精选（EP）

肖特基势垒金属氧化物薄膜晶体管（SBMO-TFT）因其优异的本征电性能而在近些年受到广泛的关注和研究。与目前成熟商用的欧姆接触金属氧化物薄膜晶体管（OCMO-TFT）相比，SBMO-TFT通常表现出较低的饱和漏电流和饱和电压，从而具有较低的器件功耗；此外，SBMO-TFT还具有超高增益和不受短沟道效应影响的优点。因此，SBMO-TFT有望用于制造高性能、高集成度和低功耗电路；在电流驱动型显示器件中使用SBMO-TFT替代OCMO-TFT，有助于实现更高的像素分辨率和IR drop的自补偿。

然而，SBMO-TFT面向应用还存在以下问题：（1）器件常采用贵金属作为电极实现肖特基接触，贵金属材料高昂的成本不利于该类器件在显示领域大面积推广应用；（2）通过降低MO半导体的载流子浓度或在金属/半导体界面插入中间层形成良好的肖特基接触，这带来器件饱和电流的大幅下降，无法满足高性能显示驱动的需求；（3）器件采用不同的材料和结构时，饱和电压通常会发生显著变化，饱和电压的演变规律和机理尚未完全揭示，造成理想电学特性器件的设计存在困难。

图2 Cu与IGZO的肖特基接触特性随AlO_x隧穿层厚度变化的演变规律

针对以上问题，研究团队提出基于Cu肖特基接触实现高性能、低成本SBMO-TFT。该研究首先探讨了引入不同厚度AlO_x隧道层的Cu/AlO_x/IGZO肖特基接触的电学特性，展示了AlO_x隧穿层对Cu与IGZO肖特基接触势垒高度的大幅调控作用（0.45-0.81eV）；在此基础上，开展了基于Cu/AlO_x/IGZO肖特基接触的SBMO-TFT电学特性的研究，揭示了肖特基势垒对SBMO-TFT饱和电压和饱和电流的影响规律；进一步地，为了提升SBMO-TFT的电学特性，对器件肖特基接触的接触电阻和IGZO的沟道电阻进行了调控，即通过引入Cu/Al堆叠电极来降低接触电阻，并通过器件背沟道氮化硅（SiN_x）钝化进行氢掺杂来提升IGZO沟道的电导率。最后，提出了具有广泛适用性的阻容网络模型来解释不同器件结构SBMO-TFT的饱和电压演变规律。

图3 不同结构肖特基势垒IGZO TFT的饱和电流和饱和电压的演变规律

广东省科学院半导体研究所李育智博士为论文第一作者，学术带头人龚政博士为通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、省重点研发计划和省科学院实施创新驱动发展能力建设专项资金等项目资助。

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0159184

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