氢化非晶In-Ga-ZnO薄膜电输运特性和机理研究

非晶氧化物半导体a-In-Ga-ZnO 具有在载流子迁移率、电输运和薄膜晶体管TFT器件应用等方面优于非晶Si的特性。a-IGZO中能隙密度分布和费米能级位置决定了载流子迁移率和电输运特性。本项目拟采用原位掺杂法制备氢掺杂的a-IGZO，通过施主掺杂调制费米能级在能带隙中的位置，并通过氢掺杂钝化a-IGZO深能级而降低能隙密度，从而提高载流子迁移率。利用固体核磁共振和深能级瞬态谱技术研究a-IGZO:H中氢原子空间分布和能隙密度分布，利用变温霍尔效应和低温光激发光谱研究a-IGZO:H光电特性，利用非晶变程跳跃电输运理论和低温表面导电理论揭示氢掺杂与能隙密度、载流子迁移率之间的作用机制，建立a-IGZO电输运机理模型，为a-IGZO制备和缺陷控制提供设计思想，为提高载流子迁移率和优化TFT器件性能提供实验技术和理论依据。

本项目研究了利用脉冲激光沉积和射频磁控溅射技术低温制备非晶半导体氧化物InGaZnO(a-IGZO)薄膜材料，深入系统地研究了生长参数、后退火处理工艺对a-IGZO电输运、光透过率、结构以及表面形貌等性能的影响。研究获得了室温制备的电子迁移率为10-17 cm^2/Vs，平均透光率>80%的a-IGZO薄膜的优化生长参数，同时获得了射频溅射功率、衬底温度、气体流量和靶基距对薄膜性能的影响规律。研究发现，氧空位缺陷控制了a-IGZO薄膜导电性能，增加生长氧气流量导致电阻率升高，后真空退火工艺能够恢复薄膜材料的半导体导电性能。同时研究发现后氢气退火降低了电子浓度，增强光透过率以及降低了表面形貌粗糙度。变温霍尔效应理论模型分析发现a-IGZO薄膜中导电机理遵循半导体能带理论，而不遵循非晶变程跳跃理论。氢与a-IGZO薄膜中的氧空位和非晶结构缺陷产生了化学键钝化作用，从而导致电子浓度的下降和光透过率散射中心的减少。研究也发现，非晶IGZO薄膜中的光学带隙随着薄膜中电子浓度的增加而增加，遵循半导体中Burstein-Moss偏移理论。本项目在室温条件下玻璃衬底上实现了高电子迁移率和光透过率性能的a-IGZO薄膜材料，通过研究发现a-IGZO薄膜关键光电性能受到生长和环境中氧化还原气氛的直接影响，因此为a-IGZO薄膜应用于新一代平板显示驱动的透明薄膜晶体管器件提供了重要的薄膜制备工艺参数和环境稳定性研究依据。