基于梯度无结型沟道层的超高性能氧化物薄膜晶体管器件构筑及集成研究

How to boost device transport performance and photoelectric stability of metal oxide thin-film transistors synergistically via manipulating carrier accumulation and depletion behaviour is a core scientific issue to be resolved in the field of flat-panel display industry. In this project, a solution based on intermittent doping is proposed to construct graded and junctionless channel layer induced by substitutional lattice defects. It aims to explore new approaches for fabrication of ultra-high performance oxide thin-film transistors with no trade-off metrics. Popular oxides with different conduction mechanisms including ZnO, InZnO, InGaZnO and Cu2O are selected as test targets. The graded and junctionless channel layer will be fabricated by sputtering without growth interruption and with the combination of O, N/F and Al intermittent doping. Exponential enhanced accumulation and unimpeded depletion will be realized using such kind of channel layer. The carrier transport and tuning mechanism will be investigated. Working physical mechanism of the synergistic improvement of both device performance and photoelectric stabilities will be clarified. NOT-logic circuits and complementary CMOS circuits with typical function of inverter and common source voltage amplifier will be prepared and device scalability of the discrete TFT will be demonstrated. Infulence rules of transfer and transport characteristics of the discrete transistors on CMOS circuits performance will be elucidated. The research findings would provide prominent application value and important scientific significance to develop the new-generation of ultra-high-definition smart display panels.

如何通过操控载流子的积累和耗尽行为大幅度协同提升氧化物薄膜晶体管器件的输运性能和光电稳定性是平板显示产业迫切需要解决的核心科学问题。本项目提出间歇掺杂方案构建基于晶格替代缺陷诱导载流子浓度梯度分布的无结型沟道层，探索制备超高性能氧化物薄膜晶体管器件的新途径。项目以具有不同导电机制的ZnO、InZnO、InGaZnO和Cu2O主流氧化物薄膜材料为验证对象，通过溅射反应“O、N/F、Al间歇（自）掺杂、不间断生长法”合成载流子浓度梯度分布的无结型氧化物沟道层，实现载流子的指数幂增强积累和无阻碍耗尽；研究载流子的输运和调控机制，揭示器件输运性能和光电稳定性协同提升的物理机理；构建单极型和互补型CMOS集成电路，检验分立器件的放大能力，阐明分立器件输运特性对整个电路传输性能的影响规律，实现反相和共源放大功能。项目的研究成果对开发新一代超高清智能显示面板具有突出的应用价值和重要的科学意义。

项目（51772276）面向新一代智能显示面板对超高分辨率像素开关/驱动用高性能氧化物薄膜晶体管（TFT）器件的重大战略需求，区别于传统的封装、钝化和光照遮挡层添加器件加工工艺，创新性围绕“如何通过操控沟道层载流子的积累和耗尽行为协同提升氧化物TFT器件的输运性能和光电稳定性”科学问题，重点研究了氧化物薄膜载流子浓度的极端调控，梯度沟道新结构设计、间歇掺杂溅射合成新工艺和梯度结构TFT器件电-光稳定性能协同提升技术。研究工作取得如下主要成果：.1）建立了氧化物薄膜溅射反应“间歇掺杂”电学性能极端调控方案及梯度无结型氧化物沟道层的合成及表征方法，实验上成功实现了IGZO、ZnO等沟道层电学性质从导体、半导体到近绝缘体的连续极端转变和高可靠度重复操控，采用团簇离子刻蚀剖析XPS分析技术证明了掺杂元素的梯度分布存在。.2）开发了全非晶结构高k Al2O3/HfO2/Al2O3介电膜的ALD制备方法及常规SiO2介电层的表面缺陷钝化工艺，实现了对界面态缺陷的控制和消除。.3）建立了在空间电荷区引入原子级深度高载流子浓度无结沟道区，人为增强载流子积累浓度的学术思想，通过两梯度“O-anti|O（OI|OII）”掺杂实现了载流子的指数幂增强积累和无阻碍耗尽，整倍提高了TFT器件场效应迁移率和驱动电流密度，解决了氧化物TFT器件迁移率低的首要瓶颈问题；建立了梯度N掺杂填充氧空位缺陷，降低光生诱导载流子浓度，提高光电稳定性的试验方案，解决了氧化物TFT器件光电稳定性差及迁移率-光电稳定性矛盾折中的关键瓶颈问题。区别于以往整个沟道层均一性元素掺杂而引起迁移率和稳定性不能协同提升的方法，通过“O-anti|O-N（OI|N）”掺杂实现了氧空位的两梯度极端分布操控，成功使IGZO TFT的场效应迁移率和负偏压光照应力阈值电压漂移量得到同步提高，通过精准控制背沟道IGZO:N区域的深度和匹配光生载流子的扩散距离，采用“O-anti|O|N（OI|OII|N）”三梯度掺杂工艺制备了满足商用显示要求的IGZO TFT器件（迁移率>30 cm2/Vs；10,000 cd/m2@3小时白光照射，绝对阈值电压漂移<1.0 V）。.4）研制了全氧化物CMOS电路，验证了氧化物TFT器件的工艺放大能力。.项目的实施对调控氧化物及其它半导体材料电学特性和发展新一代超高清智能显示面板具有重要科学指导意义。