基于传输线法（TLM）的多晶 In₂O₃薄膜晶体管电阻分析及本征迁移率精准测量

氧化物半导体（如In₂O₃）因其高电子迁移率（>10 cm²/Vs）和低漏电流特性，成为下一代显示技术和三维集成器件的理想候选材料。然而，传统场效应迁移率（μFE）的测量常因寄生电阻（Rs/d）和通道尺寸偏差（ΔL/ΔW）导致低估本征迁移率（μFEi）。本文通过传输线法（TLM），结合Xfilm埃利TLM接触电阻测试仪，在多晶In₂O₃-TFT中分离通道电阻Rch与Rs/d，成功提取了μFEi，验证了其超过100 cm²/Vs的高迁移率特性，为高迁移率氧化物半导体的性能评估提供了新方法。

实验方法与器件制备

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(a) TFT器件结构示意图(b) In₂O₃-TFT的俯视光学显微镜图像(c) In₂O₃-TFT的截面扫描透射电镜（STEM）图像器件结构设计

 

采用顶接触/底栅极结构，以SiO₂/n⁺-Si为衬底，5 nm厚非晶In₂O₃通过射频磁控溅射沉积（功率密度1.81 W/cm²，Ar:O₂=19.4:0.6 sccm），经450°C退火形成多晶通道。源/漏电极（Pt/W: 20/80 nm）通过光刻与湿法刻蚀集成。Ga₂O₃钝化层（50 nm）覆盖通道，经350°C氮气退火优化界面。

• 电学表征

对器件的输出特性和转移特性进行测量，得到了μFE、阈值电压Vth和亚阈值摆幅（SS）等参数，并验证了器件的稳定性，为 TLM 分析提供了基础。

电学特性与迁移率分析

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(a) In₂O₃-TFT的输出特性曲线(b) In₂O₃-TFT的转移特性曲线(c) 基于120个器件计算的电学参数统计(d) 不同设计通道长度对转移特性的影响(e) 不同设计通道宽度对转移特性的影响

 

基本性能

• 输出特性：线性区（Vd=0.1 V）显示欧姆接触特性，漏电流Id与Vd呈正比。
• 转移特性：线性区μFE=83.6±2.2 cm²/Vs，Vth=-0.51±0.22 V。
• 通道尺寸影响：Ldes/Wdes=5-25 μm时，Id与通道长度成反比，验证器件稳定性。

(a) TFT通道宽度结构设计(b) 恒定源漏金属宽度下，通道欠覆盖长度对归一化转移特性的影响(c) 不同Ws/d下，表观场效应迁移率随总Ludl的变化关系(d) 漏极电导随设计通道宽度的变化关系

 

通道设计对迁移率的影响

• Ws/d与Wch匹配设计：避免通道欠覆盖（Wch>Ws/d）导致的μFE高估。
• TLM修正ΔW：通过漏极电导（gd=∂Id/∂Vd）与Wdes关系，确定ΔW=3.4 μm，有效宽度Weff=Wdes-ΔW。

传输线法（TLM）提取本征迁移率

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(a) In₂O₃-TFT的归一化转移特性曲线与表观μFE计算值对比(b) 不同Vg–Vth下，RtotalWeff随设计通道长度的TLM曲线(c) RchWeff、Rs/dWeff及传输长度随Vg–Vth的变化关系(d) 通道电阻率倒数随Vg–Vth的变化曲线

• TLM模型与参数分离

总电阻（Rtotal）由通道电阻（Rch = rsh·Ldes/Weff）和寄生电阻（Rsd）串联组成。通过不同Ldes器件的Rtotal-Weff-Ldes曲线，分离出rsh和Rsd。

• 本征迁移率提取

通道电阻率rch = 1/(μFEi·Cox·Weff·(Vg-Vth))的倒数与（Vg-Vth）呈线性关系，斜率计算得到μFEi=107.0 cm²/Vs。实验数据与理论曲线吻合，验证了Rsd（8.1 kΩ·μm）对短通道器件μFE的抑制效应。通过TLM成功提取多晶In₂O₃-TFT的μFEi（>100 cm²/Vs），消除了寄生电阻和尺寸偏差的影响。高迁移率表明多晶In₂O₃在短通道和纳米片器件中具有应用潜力。未来优化接触电阻（ρc=1.1×10⁻⁵ Ω·cm²）以进一步提升性能。结合界面工程与材料设计，探索多晶氧化物的电子输运机制。

Xfilm埃利TLM电阻测试仪

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Xfilm埃利TLM接触电阻测试仪用于测量材料表面接触电阻或电阻率的专用设备，广泛应用于电子元器件、导电材料、半导体、金属镀层、光伏电池等领域。■ 静态测试重复性≤1%，动态测试重复性≤3%■ 线电阻测量精度可达5%或0.1Ω/cm■ 接触电阻率测试与线电阻测试随意切换■ 定制多种探测头进行测量和分析本研究通过Xfilm埃利TLM接触电阻测试仪的高精度测量能力，系统分析了多晶In₂O₃-TFT的本征迁移率，揭示了寄生电阻对传统迁移率测量的影响。实验证明多晶In₂O₃的μFEi可达107 cm²/Vs，为高性能氧化物半导体器件的设计与评估提供了重要参考。

原文出处：《Intrinsic field-effect mobility in thin-film transistor with polycrystalline In2O3 channel based on transfer length method》

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