實驗結果與討論

a-IGZO thin film 30

Thickness 2500nm Temprature 300K

m ob ility (

cm

/V -s)

P

(mtorr) re sis tiv ity ( 10

-cm)

resistivity mobility

圖 4-1 a-IGZO 薄膜電阻率、電子遷移率對氧壓關係

薄膜電子遷移率大約在 20~~25 cm²V^-1S^-1左右（圖4-1），較之前 研究的結論 8~~12 cm²V^-1S^-1已提升不少，並與文獻[6]中所報導者接 近。可以相信這是鍍膜時薄膜均勻性改善所造成的影響。

另外薄膜霍爾量測顯示 a-IGZO 屬於 n-type，載子濃度約在數量 級 10¹⁹~~10²¹ cm^-3之間（圖 4-2 示）。在作為電極的 ITO 薄膜上，我 們已得到25 mtorr 氧壓下沉積，電阻率 ρ≒10^-4 Ω-cm、載子濃度數量 級10²²~~10²³ cm^-3之間的結論；因此元件製程上仍利用可以得到遷移 率與電阻率相對理想，但載子濃度偏低的氧壓 20 mtorr 條件來沉積通 道 。 利 用 較 大 的 載 子 濃 度 差(10²~10³ cm^-3)提升電極 (ITO)與通道 (a-IGZO) 之 間 的 接 面 位 障 ， 以 改 善 原 本 元 件 電 流 沒 有 飽 和 區

（saturation）特性的問題。

0 5 10 15 20 25 30 200

1 10 100

a-IGZO thin film Thickness 2500nm Temprature 300K

conc ent ra ti on (10

cm

)

P

(mtorr)

圖 4-2 a-IGZO 薄膜載子濃度對氧壓關係

4-2 SEM 照片與製程的改善：

本元件在製程上原本使用膠片光罩，然而其銳利度差，微影後薄 膜邊緣呈現鋸齒狀（圖 4-3a、b）。使得多次 lift-off 製程後，嚴重影 響元件特性。在改用鍍鉻光罩之後得到改善（圖4-4a、b）。不過漏電 流卻依然大，甚至曾量測到閘極與通道之間高達10^-6A 的漏電流。經 過SEM 影像的觀察，我們發現絕緣層 Y₂O₃的薄膜品質很差，元件絕 緣層薄膜上不均勻顆粒直徑約 100~~300 nm（圖 4-5、4-6），然而元 件絕緣層厚度僅為 150 nm。因此這些不均勻顆粒成為主要的漏電流 路徑，使得元件漏電流大，且無法得到電流操作特性。我們考慮到原 本Y₂O₃靶材燒結溫度可能太低(1100℃)，導致鍍膜品質不佳。在重新 以1400℃燒結製作 Y₂O₃靶材之後，問題得到解決（圖4-7）。另外製 程上潔淨度的改善，亦較之前ㄧ研究妥善許多（圖4-8、4-9）。

圖 4-3a 膠片光罩製程

元件光學顯微鏡照片 100x 圖 4-3b 300x 照片

圖 4-4a 膠片光罩製程 元件光學顯微鏡照片 100x

圖 4-4b 300x 照片

圖 4-5 絕緣層表面 SEM 照片 10000x

圖 4-6 薄膜交界絕緣層表面 SEM 照片 10000x

圖 4-7 絕緣層表面 SEM 照片 10000x

圖 4-8 通道光學顯微鏡照片 600x 圖 4-9 元件通道 SEM 照片 10000x

4-3 元件透光率：

本實驗元件外觀如圖 4-10a、b 所示，呈現良好的透光度。而透 光率與光波長關係如圖4-11 所示。其中可見光 400~700 nm 的範圍平 均透光率可達到 86.3％，特性良好。（圖中曲線的起伏疑為儀器灰塵 所致）。

200 400 600 800 1000

0 20 40 60 80 100

Transmission (%)

Wavelength (nm)

圖 4-10a 元件光學顯微鏡照片

40x

圖 4-10b 元件光學顯微鏡照片 100x

圖 4-11 元件透光率與波長關係

4-4 元件電流-電壓特性：

本實驗依結構設計分成結構 A、結構 B，主要在於通道與電極接 面相對位置的不同。而通道長皆為 50µm、寬長比 200µm/50µm、電 極與通道重疊5µm。結構分別如圖 4-12、4-13 所示：

以下分別以結構 A、結構 B 的 I-V 曲線特性來探討設計結果。兩 種結構分別以輸出輸入轉換特性（I_D-V_G）、絕緣層漏電流（I_G-V_G）、

元件操作特性（I_D-V_D）等指標作為比較分析。

圖 4-12a 元件結構 A 立體示意 圖 4-13a 元件結構 B 立體示意

圖 4-12b 元件結構 A 剖面示意 圖 4-13b 元件結構 B 剖面示意

結構A

-20 -10 0 10 20

圖4-14~~4-16 顯示以結構 A 設計的元件 I-V 特性。圖 4-14 的 I_D-V_G 輸出-輸入轉換特性顯示：當 V_D=1V 時，電流直到 V_G=20V~~30V 之 間才有ㄧ達 10³ 倍的電流變化，變化幅度由截止到-2000µA；而當 V_D=5V 時，電流在 V_G=5V~~15V 之間出現轉換特性，元件電流由截 止到-3.5µA 作變化（由於數據尺度落差太大，兩曲線再合併作圖分別 於圖片左下方）。而圖 4-15 的 I_G-V_G特性則顯示絕緣層漏電流最低到 10^-11A，在 V_G=±20V 到達 10^-5A。基本上，圖 4-14、4-15 的結果代表 結構 A 設計的元件並沒有轉換特性；亦即沒有閘極電壓控制電流的 功能。在汲極電壓小(V_D=1V)、閘極電壓 V_G=20V~~30V 時，出現的 毫安培等級逆向電流，很可能屬於在高閘極偏壓(Gate bias V_G＞20V) 之下，由閘極穿過絕緣層流向汲極的漏電流。而在汲極電壓V_D=5V、

V_G=5V~~15V 時，電流皆屬於微安培等級的狀況，僅有 3.5µA 的差異。

亦等於無轉換特性。

圖 4-16 顯示 ID-VD元件操作特性，結果顯示曲線並沒有飽和區特 性；汲極偏壓介於-5V~~20V 之間時，整體電流曲線呈現著有ㄧ點類 似於二極體的整流特性。從前面圖 4-14 的特性而言，此結果不令人 意外。由於閘極電壓不能控制通道電流，所以電流特性只能反應出接 面整流特性。

結構B

圖 4-20 元件結構 B I^G-V^G特性

0 5 10 15 20

圖 4-17~~4-22 顯示以結構 B 設計的元件 I-V 特性。圖 4-17 顯示

4-5 結果討論： 後，電流才開始上升，所以曲線呈現出類似 Schottky contact 的非線 性現象。雖然本實驗材料都是非晶相，但由ID-VG曲線轉換的陡峭程

現不平滑的現象。因此根據這些電流電壓變大而造成特性衰減的現 象，我們推測是電晶體的自我加熱效應(self-heating)所致。隨著汲極 偏壓加大電場上升，在原子無序排列的非晶薄膜內傳輸的載子速度加 快，與薄膜原子的碰撞散射頻率變大，溫度隨之提升；而溫度提升後 聲子散射（phonon scattering）的效應也隨之提升，使得遷移率降低，

於是導通電流隨之降低，而造成所觀察到的負電阻I-V 特性。

圖 4-23 結構 A 薄膜邊緣 SEM 照片 300x

圖 4-24 結構 A 薄膜邊緣 SEM 照片 10000x