高性能氢化多晶In₂O₃:H薄膜晶体管的研究报告

作者与发表信息

本研究的通讯作者为Yusaku Magari（日本岛根大学自然科学与技术研究生院），合作作者包括Taiki Kataoka（日本高知工业大学环境科学与工程学院）、Wenchang Yeh（岛根大学）和Mamoru Furuta（高知工业大学纳米技术中心）。该研究于2022年发表在Nature Communications期刊上（DOI: 10.1038/s41467-022-28480-9）。

学术背景

研究领域与背景

氧化物半导体（Oxide Semiconductors, OSS）因其在薄膜晶体管（Thin-Film Transistors, TFTs）中的优异性能，被广泛应用于下一代平板显示器、非易失性存储器、逆变器及各类传感器。其中，非晶态In-Ga-Zn-O（a-IGZO）TFTs已成为液晶显示（AMLCDs）和有机发光二极管显示（AMOLEDs）的主流背板技术。然而，a-IGZO的场效应迁移率（μFE）约为10 cm²V⁻¹s⁻¹，仍无法与低温多晶硅（LTPS）TFTs（50–100 cm²V⁻¹s⁻¹）竞争。此外，LTPS TFTs需要高温（450–550 °C）退火，成本较高，限制了其在柔性电子器件中的应用。

本研究旨在通过氢化多晶In₂O₃（In₂O₃:H）结合低温固相结晶（Solid-Phase Crystallization, SPC）工艺，开发高性能TFTs，以解决现有氧化物TFTs迁移率不足的问题。

研究目标

1. 开发一种低温（≤300 °C）制备高迁移率TFTs的方法，使其μFE接近甚至超过LTPS TFTs。
   
2. 研究氢（H₂）在SPC过程中的作用，包括对晶粒尺寸和缺陷态的影响。
   
3. 优化In₂O₃:H的载流子浓度（ne），使其适用于TFT器件。
   

详细研究流程

1. 薄膜制备与表征

实验方法

• 薄膜沉积：采用脉冲直流磁控溅射（Pulsed DC Magnetron Sputtering）在p型硅衬底上沉积50 nm厚的In₂O₃和In₂O₃:H薄膜。
  
  • 气体比例：固定O₂流量比（r[O₂] = 1%），调节H₂流量比（r[H₂] = 0%、3%、5%）。
    
  • 沉积温度：室温，退火温度150–350 °C（N₂或空气环境）。
    
• 结构表征：
  
  • X射线衍射（XRD）：分析薄膜的结晶性。
    
  • 电子背散射衍射（EBSD）：观测晶粒尺寸和取向。
    
  • 高分辨透射电镜（HRTEM）：观察薄膜微观结构。
    

关键发现

• 氢的作用：
  
  • 未掺氢的In₂O₃薄膜在沉积后即呈现多晶态，而In₂O₃:H（r[H₂] = 5%）在沉积后为非晶态，需退火后结晶。
    
  • 退火后，In₂O₃:H的晶粒尺寸（~140 nm）显著大于未掺氢样品（~70 nm）。
    
  • 氢的引入抑制了沉积过程中的晶核形成，从而在退火时促进更大晶粒的生长。
    

2. 电学性能测试

霍尔效应测量

• 载流子浓度（ne）：
  
  • 未退火的In₂O₃:H（r[H₂] = 5%）的ne高达5.7×10²⁰ cm⁻³（氢作为浅施主）。
    
  • 经300 °C空气退火后，ne降至2.0×10¹⁷ cm⁻³（氧空位被修复）。
    
• 霍尔迁移率（μH）：
  
  • In₂O₃:H（r[H₂] = 5%）在200 °C退火后μH达104.0 cm²V⁻¹s⁻¹，远高于未掺氢样品（~20 cm²V⁻¹s⁻¹）。
    

光学吸收谱

• 氢的引入增加了沉积态薄膜的自由载流子吸收，但退火后In₂O₃:H的亚带隙缺陷（<2.9 eV）显著减少，表明氧空位被有效钝化。
  

3. TFT器件制备与性能

器件结构

• 衬底：热氧化SiO₂（100 nm）/p⁺-Si（栅极）。
  
• 沟道：30 nm In₂O₃:H（r[H₂] = 5%），退火300 °C（空气）。
  
• 钝化层：溅射SiO₂（100 nm）。
  
• 电极：Al源/漏极。
  

电学性能

• 场效应迁移率（μFE）：139.2 cm²V⁻¹s⁻¹（当前氧化物TFTs的最高值之一）。
  
• 亚阈值摆幅（SS）：0.19 V/dec，表明界面缺陷态密度低（4.7×10¹¹ cm⁻²eV⁻¹）。
  
• 阈值电压（Vth）：0.2 V，器件均匀性高（σ < 0.2 V）。
  

可靠性测试

• 正偏压应力（PBS）：Vth漂移仅+0.02 V，说明界面稳定性优异。
  
• 负偏压应力（NBS）：Vth漂移-4.4 V（湿度影响），需优化钝化层（如SiNₓ或Al₂O₃）。
  

主要结论与意义

1. 低温SPC工艺：通过氢掺杂和低温退火（≤300 °C），实现了高迁移率（μFE > 100 cm²V⁻¹s⁻¹）的多晶In₂O₃:H TFTs。
   
2. 氢的关键作用：
   
   • 抑制沉积时的晶核形成，退火后获得大晶粒（~140 nm）。
     
   • 退火后氢与氧空位结合，显著降低载流子浓度（ne ~10¹⁷ cm⁻³）。
     
3. 器件性能突破：μFE（139.2 cm²V⁻¹s⁻¹）超越传统氧化物TFTs，接近单晶In₂O₃（~160 cm²V⁻¹s⁻¹）。
   
4. 应用潜力：适用于柔性电子和透明显示，且工艺与现有氧化物TFT产线兼容。
   

研究亮点

1. 方法创新：首次将氢掺杂与SPC结合，实现低温制备高性能多晶In₂O₃ TFTs。
   
2. 性能纪录：μFE（139.2 cm²V⁻¹s⁻¹）和SS（0.19 V/dec）均为同类器件最佳。
   
3. 机制解析：通过HRTEM和EBSD明确了氢对晶粒生长和缺陷钝化的作用。
   

未来方向

1. 优化钝化层以减少NBS下的Vth漂移。
   
2. 探索In₂O₃:H在柔性衬底（如聚酰亚胺）上的应用。
   

该研究为高性能、低成本氧化物TFTs的工业化提供了重要解决方案。