阳极氧化方法制备同质结金属氧化物薄膜晶体管研究

Thin film transistor (TFT) has been the key element of flat panel display devices and oxide TFT has become the hot issue in this area at present. The situation that there are little original and creative TFT technologies in China will limit the fast development of Chinese FPD industry. A new anodization method based on electrochemistry is thus proposed to fabricate oxide TFT. This method features the selective anodization formation of channel layer from a previously deposited metal film and the metal source/drain and interconnect from the un-anodized metal film.it is made clear that the proposed method will lead to novel device structure, help with improving device and circuit performance, simplifying fabrication process, reducing the production cost, and be also good for low temperature flexible TFT fabrication. The involved issues with this proposal are clarified theoretically and experimentally, and detailed solutions to these issues are also formulated. It is pointed out that the multi-layer metal approach is able to provide larger space for improving the device performance and reducing production cost. The feasibility and advantage of the formulated solution are clarified on base of the available theory and previously achieved experience by us. Moreover, we have excellent research background of the oxide TFT and complete facility for conducting this job. Therefore, numerous achievements will be resulted from performing this project.

薄膜晶体管（TFT）是现代显示器的核心元件，氧化物TFT是目前该领域的研究热点。我国在该领域一直缺乏原创性技术。本项目首次提出一种基于电化学阳极氧化原理的氧化物TFT制备方法。其特征是在栅介质上淀积某类金属膜，然后选择性地将栅电极上方区域的金属膜阳极氧化成半导体氧化物而形成器件的有源区，而未被氧化的金属部分则自然成为器件的源漏区和互连线。分析表明这种方法能产生新颖的器件结构，提高器件性能、简化制造工艺和降低制作成本。此外该方法还可用于低温柔性TFT的制作。对涉及的科学问题和拟开展的研究内容进行了阐述，并制定了详实的研究方案。分析指出双（多）层金属的选择性阳极氧化方案有望提供更大的优化器件性能和降低制作成本的空间。基于相关的理论基础和已有的初步实验结果论述了所制定方案的可行性和先进性。申请人扎实的研究基础和完备的软硬件条件将确保项目顺利开展并取得优异成果。

传统TFT面板制造的一个主要问题是须采用昂贵复杂的真空设备和真空技术，导致投资巨大和污染严重。我们提出并研究了一种新的低成本和高性能氧化物薄膜晶体管的制备方法。该方法的特点是利用阳极氧化技术形成TFT器件的栅介质层、钝化层，以及沟道层。本研究主要内容和取得的成果如下：.1、首次用阳极氧化法制备出等效氧化物厚度为3.8 nm 的薄HfO2薄膜。其泄漏电流在1MV/cm电场下为3.6×10−8 A/cm2，相对介电常数达~21。室温下制备的基于该薄HfO2栅介质的非晶铟镓锌氧（a-IGZO） TFT具有陡的亚阈值摆幅（109 mV/dec），以及超过10的8次方的开关比。.2、提出并研究了用阳极氧化法调制金属氧化物沟道层电、光学特性和晶体结构。在此基础上采用全室温工艺成功制备出了同质结ITO TFT。该器件具有超过10的8次方的开关比，29 cm2/Vs的饱和迁移率和0.20 V/dec的亚阈值摆幅。该方法还能灵活地调节TFT的阈值电压，实现多阈值电路技术。.3、提出并研究了用阳极氧化在沟道背面原位制备钝化层的方法，并以此实现了基于Ta2O5原位钝化的ITO TFT技术。阳极氧化得到的Ta2O5薄膜具有非晶的结构和低的泄漏电流。所钝化的ITO TFT具有56.1 cm2/Vs的饱和迁移率，0.14 V/dec的亚阈值摆幅，以及>10的9次方的开关比。测试结果表明，ITO TFT的电学特性不受外界大气气氛的影响，并具有好的应力稳定性。.4、提出了采用阳极氧化技术直接将金属Zn转换成ZnO的方法，成功地实现了阳极氧化ZnO作为沟道层的TFT制备技术。该技术能够灵活有效地调节ZnO薄膜中氧元素的含量，改变ZnO薄膜的电学和光学特性。采用选择性阳极氧化金属Zn制备出了新结构的ZnO TFT器件。其源漏为Zn金属，沟道区为ZnO半导体。器件具有合理的开关特性，且能够实现多阈值技术。