氧化物半導(dǎo)體（如In?O?）因其高電子遷移率（>10 cm2/Vs）和低漏電流特性，成為下一代顯示技術(shù)和三維集成器件的理想候選材料。然而，傳統(tǒng)場效應(yīng)遷移率（μFE）的測量常因寄生電阻（Rs/d）和通道尺寸偏差（ΔL/ΔW）導(dǎo)致低估本征遷移率（μFEi）。本文通過傳輸線法（TLM），結(jié)合Xfilm埃利TLM接觸電阻測試儀，在多晶In?O?-TFT中分離通道電阻Rch與Rs/d，成功提取了μFEi，驗(yàn)證了其超過100 cm2/Vs的高遷移率特性，為高遷移率氧化物半導(dǎo)體的性能評估提供了新方法。

實(shí)驗(yàn)方法與器件制備

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(a) TFT器件結(jié)構(gòu)示意圖(b) In?O?-TFT的俯視光學(xué)顯微鏡圖像(c) In?O?-TFT的截面掃描透射電鏡（STEM）圖像器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用頂接觸/底柵極結(jié)構(gòu)，以SiO?/n?-Si為襯底，5 nm厚非晶In?O?通過射頻磁控濺射沉積（功率密度1.81 W/cm2，Ar:O?=19.4:0.6 sccm），經(jīng)450°C退火形成多晶通道。源/漏電極（Pt/W: 20/80 nm）通過光刻與濕法刻蝕集成。Ga?O?鈍化層（50 nm）覆蓋通道，經(jīng)350°C氮?dú)馔嘶饍?yōu)化界面。

• 電學(xué)表征

對器件的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性進(jìn)行測量，得到了μFE、閾值電壓Vth和亞閾值擺幅（SS）等參數(shù)，并驗(yàn)證了器件的穩(wěn)定性，為 TLM 分析提供了基礎(chǔ)。

電學(xué)特性與遷移率分析

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(a) In?O?-TFT的輸出特性曲線(b) In?O?-TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線(c) 基于120個(gè)器件計(jì)算的電學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)(d) 不同設(shè)計(jì)通道長度對轉(zhuǎn)移特性的影響(e) 不同設(shè)計(jì)通道寬度對轉(zhuǎn)移特性的影響

基本性能

• 輸出特性：線性區(qū)（Vd=0.1 V）顯示歐姆接觸特性，漏電流Id與Vd呈正比。
• 轉(zhuǎn)移特性：線性區(qū)μFE=83.6±2.2 cm2/Vs，Vth=-0.51±0.22 V。
• 通道尺寸影響：Ldes/Wdes=5-25 μm時(shí)，Id與通道長度成反比，驗(yàn)證器件穩(wěn)定性。

(a) TFT通道寬度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(b) 恒定源漏金屬寬度下，通道欠覆蓋長度對歸一化轉(zhuǎn)移特性的影響(c) 不同Ws/d下，表觀場效應(yīng)遷移率隨總Ludl的變化關(guān)系(d) 漏極電導(dǎo)隨設(shè)計(jì)通道寬度的變化關(guān)系

通道設(shè)計(jì)對遷移率的影響

• Ws/d與Wch匹配設(shè)計(jì)：避免通道欠覆蓋（Wch>Ws/d）導(dǎo)致的μFE高估。
• TLM修正ΔW：通過漏極電導(dǎo)（gd=?Id/?Vd）與Wdes關(guān)系，確定ΔW=3.4 μm，有效寬度Weff=Wdes-ΔW。

傳輸線法（TLM）提取本征遷移率

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(a) In?O?-TFT的歸一化轉(zhuǎn)移特性曲線與表觀μFE計(jì)算值對比(b) 不同Vg–Vth下，RtotalWeff隨設(shè)計(jì)通道長度的TLM曲線(c) RchWeff、Rs/dWeff及傳輸長度隨Vg–Vth的變化關(guān)系(d) 通道電阻率倒數(shù)隨Vg–Vth的變化曲線

• TLM模型與參數(shù)分離

總電阻（Rtotal）由通道電阻（Rch= rsh·Ldes/Weff）和寄生電阻（Rsd）串聯(lián)組成。通過不同Ldes器件的Rtotal-Weff-Ldes曲線，分離出rsh和Rsd。

• 本征遷移率提取

通道電阻率rch= 1/(μFEi·Cox·Weff·(Vg-Vth))的倒數(shù)與（Vg-Vth）呈線性關(guān)系，斜率計(jì)算得到μFEi=107.0 cm2/Vs。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論曲線吻合，驗(yàn)證了Rsd（8.1 kΩ·μm）對短通道器件μFE的抑制效應(yīng)。通過TLM成功提取多晶In?O?-TFT的μFEi（>100 cm2/Vs），消除了寄生電阻和尺寸偏差的影響。高遷移率表明多晶In?O?在短通道和納米片器件中具有應(yīng)用潛力。未來優(yōu)化接觸電阻（ρc=1.1×10?? Ω·cm2）以進(jìn)一步提升性能。結(jié)合界面工程與材料設(shè)計(jì)，探索多晶氧化物的電子輸運(yùn)機(jī)制。

Xfilm埃利TLM電阻測試儀

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Xfilm埃利TLM接觸電阻測試儀用于測量材料表面接觸電阻或電阻率的專用設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電子元器件、導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體、金屬鍍層、光伏電池等領(lǐng)域。■靜態(tài)測試重復(fù)性≤1%，動(dòng)態(tài)測試重復(fù)性≤3%■ 線電阻測量精度可達(dá)5%或0.1Ω/cm■ 接觸電阻率測試與線電阻測試隨意切換■ 定制多種探測頭進(jìn)行測量和分析本研究通過Xfilm埃利TLM接觸電阻測試儀的高精度測量能力，系統(tǒng)分析了多晶In?O?-TFT的本征遷移率，揭示了寄生電阻對傳統(tǒng)遷移率測量的影響。實(shí)驗(yàn)證明多晶In?O?的μFEi可達(dá)107 cm2/Vs，為高性能氧化物半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與評估提供了重要參考。

原文出處：《Intrinsic field-effect mobility in thin-film transistor with polycrystalline In2O3channel based on transfer length method》

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