基于氮掺杂非晶InGaZnO:N薄膜的TFT及其稳定性研究

Amorphous In–Ga–Zn–O thin-film transistors (a-IGZO TFTs) have great application prospects in next-generation flat-panel displays for their high channel electron mobility, high optical transparency, low off-state leakage and low processing temperature. However, degradation caused by the VO-related traps at the interface or in the channel is still a problem to be settled. This project proposes an innovative method to suppress the generation of VO-related defects by using the technology of controlled N-doping at selective layers, as a result of which, quality of the interface and channel will get improved, and the characteristics and stability will show great enhancement for these a-IGZO TFTs. As have been planned, first of all, the electronic energy band structure and the distribution of defects will be simulated utilizing first-principles, as a theoretical guide for device improvement. Secondly, magnetron sputtering method will be used to deposit a-IGZO:N films of low defect density and good uniformity, and finally a-IGZO TFTs of excellent device performance and stability will be fabricated. Comparison and analysis of results obtained from numerical simulations and experimental measurements will then be carried out, to understand the physical mechanism behind the effects of N-doping.

非晶铟镓锌氧基薄膜晶体管(a-IGZO TFT)具有迁移率高、透明度高、漏电流低和制备温度低等优点，在下一代平板显示产业中极具应用前景。本项目针对a-IGZO TFT界面处和沟道中氧空位相关缺陷捕获载流子导致器件稳定性退化这一科学问题，创新地提出采用选层可控N掺杂的方法抑制界面处和沟道中氧空位相关缺陷的产生，改善界面和有源层的质量，大幅度提高a-IGZO TFT器件性能和稳定性的研究思路。计划利用第一性原理计算研究N掺杂对a-IGZO材料体系电子能带结构及缺陷态分布的影响，优化N掺杂的位置及浓度，为提升a-IGZO TFT的器件性能和稳定性提供理论指导；采用磁控溅射技术制备低缺陷态密度、高均一性a-IGZO:N薄膜及高性能高稳定性a-IGZO:N TFT原型器件；通过理论模拟与实验相结合，揭示N掺杂对a-IGZO TFT的器件性能和稳定性影响的物理机制。

新型透明非晶InGaZnO薄膜晶体管 (a-IGZO TFT) 以其具有场效应迁移率高、大面积制备均一性高、响应速度快、功耗低、和成本低等优点，将应用于下一代有源矩阵有机发光二极管和有源矩阵液晶显示器中作为像素开关器件和外围驱动电路。本项目针对a-IGZO TFT界面处和沟道中氧空位相关缺陷捕获载流子导致器件稳定性退化这一科学问题，创新地提出采用选层可控N掺杂的方法抑制界面处和沟道中氧空位相关缺陷的产生，改善界面和有源层的质量，大幅度提高a-IGZO TFT器件性能和稳定性的研究思路。利用磁控溅射技术，研究了不同生长工艺参数下的a-IGZO:N 薄膜生长规律；揭示了不同N的掺杂源对a-IGZO:N 薄膜N的掺杂效率影响；结合理论计算与薄膜的SIMS和XPS表征结果，优化了a-IGZO:N薄膜生长和退火工艺参数，探索获得了低缺陷态密度、高均一性a-IGZO:N 薄膜的可控制备工艺。实现了高质量a-IGZO/栅氧化层界面接触而发展的界面处理工艺，低源漏接触电阻a-IGZO:N 欧姆接触金属化工艺及器件性能与稳定性密切相关的钝化层技术。探索出了选层可控N掺杂的技术对a-IGZO TFT基本器件性能影响；测试了a-IGZO:N TFT在偏压和光照应力作用下的电学稳定性；利用低频噪声测试系统、光激发电荷收集谱、I-V和C-V测试手段分析了N掺杂对a-IGZO TFT的器件性能和稳定性影响规律；同时，首次采用二次离子质谱 (SIMS) 表征方法确定了N在a-IGZO薄膜材料中的准确掺杂浓度，发现具有20 % N掺杂比率的a-IGZO薄膜的实际浓度为掺杂浓度在~1.1×1020 cm−3, 与文献报道a-IGZO薄膜中的深能级亚带缺陷态密度约为3-5×1020 cm−3相符。这一研究结果将为实现精确调控a-IGZO 材料体系深能级缺陷提供指导。通过项目研究发现，a-IGZO材料体系中存在高密度氧空位相关缺陷是导致器件在栅压，光照，温度等应力下退化的主因，并采用局域N掺杂的方法抑制沟道与器件界面的氧空位相关缺陷的产生，显著地提高了器件的可靠性，实现阈值电压漂移在1 V以内，并与企业分享这一研究成果。本项目的研究结果对IGZO 显示技术在高分辨率、大尺寸、高刷新率平板显示中应用具有重要指导意义和参考价值。