磷酸处理对多孔SiO2薄膜质子导电特性和双电层 薄膜晶体管性能的影响
万相1,2, 刘阳辉1, 张洪亮1
1. 中国科学院 宁波材料技术与工程研究所, 宁波 315201
2. 中国科学技术大学 纳米科学技术学院, 苏州215123
通讯作者:张洪亮, 博士. E-mail:zhanghl@nimte.ac.cn

作者简介:万 相(1989-), 男, 硕士研究生. E-mail:wanxiang@nimte.ac.cn

摘要

采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)制备了多孔SiO2薄膜, 系统地研究了不同浓度磷酸处理对多孔SiO2薄膜的质子导电特性、双电层电容和以此多孔SiO2薄膜为栅介质的铟锌氧(IZO)双电层薄膜晶体管性能的影响。结果表明: 多孔SiO2薄膜的质子电导率和双电层电容随磷酸浓度升高而增大, 60%浓度磷酸处理后多孔SiO2薄膜质子电导率和双电层电容分别达到1.51×10-4S/cm和6.33 μF/cm2。随磷酸浓度升高, 双电层薄膜晶体管的工作电压降低, 并且, 电流开关比也变大。其中60%浓度磷酸处理后器件工作电压为1.2 V, 迁移率为20 cm2/(V·s), 电流开关比为4×106。这种双电层薄膜晶体管有望应用在化学和生物传感等领域。

关键词: 双电层; 薄膜晶体管; 磷酸处理; 多孔SiO2
中图分类号:TN321   文献标志码:A    文章编号:1000-324X(2014)05-0482-05
Effects of H3PO4 Treated Porous SiO2 on Proton Conductivity and Performances of EDL-TFTs
WAN Xiang1,2, LIU Yang-Hui1, ZHANG Hong-Liang1
1. Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Ningbo 315201, China
2. Nano Science and Technology, University of Science and Technology of China, Suzhou 215123, China
Abstract

Porous SiO2 films were deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition and were treated by H3PO4 solution with various concentrations. Then indium-zinc-oxide (IZO) electric-double-layer thin-film transistors (EDL- TFTs) were fabricated by using such porous SiO2 films as the gate dielectrics. The effects of H3PO4 treatments on the proton conductivity and EDL capacitance of porous SiO2 films and on the performances of EDL-TFTs were investigated systematically. The proton conductivity and EDL capacitance of SiO2 films increase with the H3PO4 concentration increase. A high proton conductivity of 1.51×10-4S/cm and a large EDL capacitance of 6.33 μF/cm2 are obtained for porous SiO2 films which were treated with 60% H3PO4 solution. The operating voltage decreases and the on/off ratio increases with the increasing H3PO4 concentration. The EDL-TFTs gated by porous SiO2 films treated with 60% H3PO4 solution show the best performance with a low operating voltage of 1.2 V, a high mobility of 20 cm2/(V·s), and a large on/off ratio of 4×106. Such EDL-TFTs are promising for biosensors and chemical sensors in the future.

Keyword: electric-double-layer; thin-film-transistors; H3PO4 treatment; porous SiO2
引言

具有质子导电特性的电解质已经被广泛应用于低压、低功耗的薄膜晶体管(TFTs)领域的栅介质材料中[ 1, 2]。相比传统高k栅介质材料, 具有质子导电特性的电解质展现了大电容的特性, 这主要归结于电解质中质子可以在电场驱动下和TFTs沟道电子相互耦合形成大的双电层(EDL)电容[ 3], 这种EDL电容大大降低TFTs的工作电压。Panzer等[ 4, 5]报道了一种有机聚合物质子导体为栅介质的有机薄膜晶体管(OTFTs), EDL电容高达5 μF/cm2, 器件的工作电压低于2 V。这类以有机质子导体为栅介质的双电层有机薄膜晶体管(EDL-OTFTs)在低压、低功耗方面取得了较大进展[ 6, 7]。近年来, 基于质子在多孔材料的纳米孔道中高效的电输运行为[ 8], 研究人员尝试用多孔无机质子导体取代有机质子导体获得EDL电容[ 9, 10]。Lu等[ 11]报道了PECVD法制备的多孔SiO2作为栅介质EDL-TFTs, 其EDL电容为2.14 μF/cm2, 工作电压为1.5 V。

提高质子导体的质子导电性对于获得高电学性能的EDL-TFTs具有重要意义。在质子交换膜(PEMs)等领域中, 磷酸基团(-PO3H2)由于其强酸性以及高介电常数等特点, 被广泛用于提高多孔薄膜的质子导电性[ 12, 13]。但有关采用磷酸溶液处理对多孔SiO2膜的质子导电特性、EDL电容及EDL-TFTs电学特性影响的研究尚未见报道。本研究采用不同浓度的磷酸对PECVD法制备的多孔SiO2薄膜作浸泡处理, 探讨了磷酸浓度对多孔SiO2质子导电特性、EDL电容及EDL-TFTs电学特性的影响, 以期为化学和生物传感器提供有力依据和器件基础。

1 实验方法

图1(a)是多孔SiO2薄膜为栅介质, IZO为源漏极和沟道的具有底栅结构的EDL-TFTs示意图。器件制备过程如下: 首先, 在室温条件下, 用PECVD法在ITO导电玻璃表面沉积SiO2薄膜。反应气体为SiH4和O2, 流量比为3:18, 反应过程中腔体气压控制在30 Pa, 射频功率为100 W, 沉积时间为30 min。然后, 将部分制备样品分别用体积分数为20%、40%和60%的磷酸溶液浸泡24 h后烘干。接下来, 用IZO靶材以磁控溅射方法在磷酸处理和未经处理的SiO2薄膜表面制备源极和漏极。由于磁控溅射的IZO粒子具有很高的动能, 能够绕射进入掩膜板和SiO2薄膜表面的间隙之中, 在源漏电极形成的同时, 沟道层也在间隙里自组装形成[ 14], 如图所示。磁控溅射的反应气体为Ar, 气压控制在0.5 Pa, 射频功率为100 W, 溅射时间为15 min。所有制备过程都在室温下完成。

采用场发射扫面电镜和透射电镜表征SiO2薄膜的截面形貌, 测试样品分别为硅片和铜片衬底上以同等实验条件生长的SiO2薄膜。用Solartron 1260阻抗分析仪测试SiO2薄膜的质子导电特性和电容特性, 并用Keithley 4200半导体参数仪测试TFTs器件的电学性能, 测量条件均为常温、暗室、45%相对湿度。

图1 EDLC-TFTs的器件结构示意图(a)及SiO2薄膜截面的扫描电镜(b)和透射电镜(c)照片Fig. 1 Schematic diagram of vertical EDL-TFTs (a) and cross-sectional SEM image (b) and TEM image (c) of the as-deposited SiO2

2 结果与讨论
2.1 PECVD方法制备的SiO2薄膜微结构

图1(b)是硅片衬底上生长的SiO2薄膜截面的扫描电镜照片, 可见PECVD方法生长的SiO2薄膜是由大量柱状排列的颗粒组成, 颗粒之间存在很多孔隙。图1(c)是铜片衬底上生长的SiO2薄膜的透射电镜照片, 可见SiO2薄膜具有明显的纳米孔结构。经过24 h的浸泡, 磷酸溶液可以轻易渗透这种高度多孔的薄膜后并粘附于SiO2颗粒[ 12], 使-PO3H2通过硅羟基连接在SiO2颗粒表面[ 15]。而且, 纳米孔道为质子提供了高效的输运通道。在TFTs栅极外加正电场的作用下, H+通过纳米孔道纵向漂移至栅介质/沟道界面处, 在沟道中感应大量电子, 形成了EDL, 增强了栅极和沟道之间的电容耦合(图1(a))。

2.2 磷酸浓度对SiO2薄膜质子导电特性的影响

图2(a)为不同浓度磷酸处理和未经处理的SiO2薄膜的Cole-Cole图。质子电导率根据

获得[ 16]。其中 R为半圆与 x正半轴交点, 这里的测量结果取五个不同器件的中间值, L为SiO2薄膜厚度, A为测量电极面积, R0为测试回路的附加电阻。图2(b)展示了计算出的四种SiO2薄膜的质子电导率。可以看出, 质子电导率随磷酸浓度的升高而线性上升。60%磷酸处理的SiO2薄膜具有最高的质子电导率(1.51×10-4S/cm), 为未经处理的1.5倍(1.04×10-4S/cm)。磷酸处理后质子导电特性增强的原因是由于连接在SiO2颗粒表面的-PO3H2相互作用形成了Grotthuss链[ 17, 18], 而H+可以在Grotthuss链构成的输运网络中自由跳跃, 薄膜的质子传递能力得以增强。因此, 所用磷酸浓度的升高, 增加了这种Grotthuss链的形成, 从而增强了SiO2多孔薄膜的质子导电特性。这种质子电导率随酸性溶液浓度变化的特性, 将在pH传感器领域有很好的应用前景。

图2 不同浓度磷酸处理的SiO2薄膜的Cole-Cole (a)和质子电导(b)图Fig. 2 Typical Cole-Cole plots (a) and proton conductivity (b) of SiO2 proton conductor treated by H3PO4 solution with different concentrations

2.3 磷酸浓度对SiO2薄膜EDL电容和漏电流的影响

图3(a)为SiO2薄膜在频率为1.0 Hz~10 MHz区间内的单位面积电容。四条电容-频率曲线均呈现出典型的EDL电容特征: 由于质子-电子的耦合作用, SiO2薄膜在低频区具有较大的EDL电容, 并随着频率的上升电容逐渐下降, 最后失去EDL效应[ 19]。当频率为1 Hz时, 经过60%磷酸处理的SiO2薄膜EDL电容为6.33 μF/cm2, 比传统电容理论计算结果( )大三个数量级。图中可见60%磷酸处理的SiO2薄膜EDL电容为未经处理(4.29 μF/cm2)的1.5倍。随着磷酸浓度升高, 电容在低频区(<1 kHz)清晰地呈现出逐渐增大的趋势, 即使在较高的频率(10 kHz), 60%磷酸处理的SiO2薄膜仍有1.4 μF/cm2的EDL电容, 而未经处理的则低于1 μF/cm2。磷酸处理后SiO2薄膜EDL电容的增大, 最主要原因不仅是由于质子电导率增加, 而且是由于-PO3H2电离产生更多的H+在栅电压驱动下漂移至栅介质/沟道界面处形成累积电荷, 界面电荷密度的增加导致了EDL致密的Helmholtz层的缩小, 从而导致了EDL电容的增大。这些结果与引入质子能够使得离子液在电解质/栅极和电解质/半导体的界面的EDL电容增加的结果一致[ 20]图3(b)为SiO2薄膜在栅极偏压为-1.5 V~1.5 V区间内的漏电流曲线。从图中可以看出, 不同浓度的磷酸处理后漏电流很低, 均在2 nA以内, 远小于TFTs的工作电流。这保证了磷酸处理导致的漏电流变化对TFTs的电学性能影响甚微。

图3 不同浓度磷酸处理的SiO2薄膜的电容-频率曲线(a)和漏电流曲线(b)Fig. 3 Specific capacitance vs frequency characteristics (a) and gate leakage current (b) curves of SiO2 proton conductor treated by H3PO4 solution with different concentrations

2.4 磷酸处理SiO2薄膜对EDL-TFTs电学性能的影响

图4(a)为以60%磷酸处理SiO2为栅介质的EDL-TFTs的输出特性曲线 Ids- Vds。曲线随着 Vgs从-0.4 V变化到1 V的过程逐渐向电流增大的方向移动, 说明器件为典型的n型TFTs。较高的 Vds下器件显示出了良好的电流饱和特性, 而在较低的 Vds下器件显示出了良好的线性特性, 说明TFTs源漏极和沟道之间具有良好的欧姆接触。 Vgs=1 V和 Vds=1.2 V下器件具有较高的饱和电流(~1.4 mA), 器件工作电压为1.2 V。图4(b)展示了器件的转移特性曲线, 测量过程中源漏电压 Vds控制在1.2 V。如图所示, 60%磷酸处理SiO2薄膜为栅介质的TFTs在栅压为1.2 V达到源漏电流最大值0.75 mA, 此时TFTs处于完全开启状态。而在栅压为-0.45 V, 源漏电压为最小值0.18 nA, 此时n型沟道完全耗尽。△ Vgs仅为1.65 V, 开关比高达4×106, 这归功于60% 磷酸处理SiO2薄膜极高的EDL电容(取6.33 μF/cm2)。阈值电压由 Ids1/2- Vgs线性区切线与横轴的交点得出, 如图所示为0.27 V, 说明器件为增强型TFTs。饱和区( Vgs Vgs- Vth)场效应迁移率由公式 拟合, 结果为20 cm2/(V·s)。图4(c)为不同浓度磷酸处理SiO2为栅介质EDL- TFTs的转移特性曲线。未经磷酸处理, 以及20%和40%磷酸处理后, 器件的工作电压分别为1.5 V、1.5 V和1.3 V。其中未经磷酸处理的SiO2薄膜为栅介质的EDL-TFTs, △ Vgs为2.45 V, 开关比为5×105。随着磷酸浓度的升高, 器件可以在更小的栅压变化范围内由关态向开态转变, 工作电压和电流开关比分别相应地降低和提高, 这是由于磷酸处理后EDL电容增大导致了栅极和沟道之间耦合增强, 使得栅极电压能感应更多的沟道电子, 从而降低了工作电压, 提高了电流开关比。特别地, 据Guo等[ 21]报道, 环境湿度对EDL电容和EDL-TFT的电学特性影响很大。因此, 样品测试环境的相对湿度始终维持在45%。

图4 以60%磷酸处理的SiO2薄膜为栅介质的EDL-TFTs的输出特性(a), 转移特性(b)和不同浓度磷酸处理的SiO2薄膜为栅介质的EDL-TFTs的转移特性(c)曲线Fig. 4 Electrical characteristics of the EDL-TFTs gated by SiO2 proton conductor treated by 60% H3PO4 solution(a) Output characteristics; (b) Transfer characteristics; (c) Transfer characteristics of the EDL-TFTs gated by SiO2 proton conductor treated by H3PO4 solution with different concentrations

3 结论

本研究用不同浓度的磷酸溶液对PECVD法制备的多孔SiO2薄膜进行浸泡处理, 对于磷酸处理直接影响多孔SiO2质子导电特性, 从而作用于EDL电容及EDL-TFTs电学特性等方面进行了系统研究, 结果表明:

1) 多孔SiO2薄膜的质子电导率随磷酸溶液浓度的升高而线性上升, 60%磷酸处理的SiO2薄膜具有最高的质子电导率(1.51×10-4S/cm), 为未经处理的1.5倍。

2) 多孔SiO2薄膜的EDL电容在低频区(<1 kHz)随磷酸溶液浓度的升高而增大.频率为1 Hz时, 60%浓度磷酸处理的SiO2薄膜具有最大的EDL电容(6.33 μF/cm2), 为未经处理的1.5倍。

3) 随着磷酸浓度的升高, EDL-TFTs的工作电压降低, 并且, 电流开关比也变大。60%浓度磷酸处理的SiO2薄膜作为栅介质的IZO-TFTs工作电压仅为1.2 V, 场效应迁移率为20 cm2/(V·s), 电流开关比高达4×106

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