新型透明氧化物半导体沟道层薄膜的研究

开展具有原创性的新型透明氧化物半导体沟道层薄膜的研究，旨在从电子结构和晶格结构出发，理论探讨IMeO(Me = W, Mo,Ti及其组合)氧化物半导体沟导层薄膜的光学和电学特性，筛选出合适的掺杂元素和含量及其组合；采用直流磁控溅射法/脉冲等离子体沉积技术，研究制备IMeO透明氧化物半导体沟导层薄膜，分析比较不同掺杂元素W,Mo,Ti及其组合，以及各种制备参数对IMeO薄膜电学和光学性能的影响，探索不同掺杂离子对IMeO薄膜性能的作用机制；优化制备参数，确立载流子迁移率高、可见光范围光学透明性好的新型IMeO透明氧化物半导体薄膜的制备条件；研制基于IMeO新型氧化物半导体沟道层的原型透明TFT，优化界面接触特性和晶体管结构，研究影响IMeO-TFT电学稳定性的关键因素和作用机制，从而揭示IMeO-TFT稳定性的内在机理，研发出具有自主知识产权的透明氧化物半导体IMeO薄膜。

根据研究计划和自主拓展，开展了新型氧化物沟道层薄膜及其TFTs器件、溶液法制备氧化物TFTs的新工艺，以及IZO基薄膜的理论计算等研究工作，较好完成了项目任务。.针对a-IGZO沟道层中Ga2O3和ZnO溶于酸，对湿法刻蚀工艺敏感，需要较厚的a-IGZO沟道层来弥补这一缺陷，以消耗更多的材料和工艺时间为代价的问题，开展了IWO沟道层及其TFTs器件的研究工作。IWO中的WO3不溶于除了氢氟酸以外其它的酸，故对湿法刻蚀工艺具有较好的工艺相容性。通过优化磁控溅射和退火处理工艺，获得了器件性能优良的IWO-TFTs器件，场效应迁移率达到17.1 cm2/Vs、电流开关比大于106。研究证实了a-IWO薄膜作为TFTs沟道层的可能性，并且揭示了W元素具有改善氧化物TFTs器件电学稳定性的效果。进一步研发了a-IZWO-TFTs，同样获得了性能优良的器件性能，在W掺杂量为6.2 at.%时，其场效应迁移率为11.1 cm2/Vs，电流开关比约为107。揭示了W在a-IZWO沟道层中以氧空位（即载流子）抑制剂的形式存在，W掺杂是一种调制AOS-TFTs器件性能的有效方法。.AOS-TFTs通常采用SiO2，Al2O3和Si3N4作为介质层材料，目前以有机介质层为栅绝缘层的氧化物TFTs的研究还不多见，我们开展了a-IZO沟道层和聚四乙烯苯酚（PVP）有机介质层构成的混合型TFTs的研究工作。发现a-IZO和PVP构成双层薄膜时呈现增透效应，可见光范围平均透射率大于85%，这对于应用于全透明TFTs器件非常有利。获得了饱和迁移率25.4 cm2 V−1 s−1、电流开关比106。对于研发成本低廉的氧化物TFTs提供了新的思路。.溶液法制备氧化物TFTs的关键问题是如何改善其器件性能。提出了近红外光照技术，对溶液法制备的IGZO薄膜进行干燥和退火处理。发现近红外光照能够增强去除有机物和脱羟基的效果，导致溶液法制备的a-IGZO-TFTs具有相对较好的器件性能，揭示了该技术应用于氧化物TFTs器件的可能性。考察了a-IGZO沟道层的氧等离子体处理效果，分析得知氧等离子体中两种主要成分为原子氧和O2+离子，原子氧与沟道层中的氧空位反应导致迁移率改善，需要产生更多原子氧的氧等离子体。.在本项目资助下，发表SCI论文13篇；申请发明专利7项，获授权发明专利1项。