非晶InGaZnO基异质结及调制掺杂薄膜晶体管的制备与研究

In order to satisfy the requirements on the device performance of TFT from the next-generation flat-panel display, and also to broaden the applications of such device on sensor and IC, amorphous InGaZnO-based modulation-doped TFT, in which the MODFET structure replaces the conventional MOSFET one based on a single active layer, will be fabricated. The new device structure is aiming to break through the bottleneck of amorphous InGaZnO material itself and improve the carrier mobility of amorphous InGaZnO-based TFT. In the semiconductor heterojunction adopted by such a modulation-doped device, the well and barrier layers are amorphous InGaZnO and InGaZnMgO (or InGaMgO) respectively. Both layers will be deposited through molecular beam epitaxy so that a better interface quality can be achieved. In addition, the optimization on the structure parameters, including the element composition, thickness and oxygen-vacancy concentration of barrier layer, will be carried out, and the inner mechanisms affecting device performance will be in-depth investigated as well. Moreover, some specific techniques, for example, interface modification, spacer layer and high-k dielectric layer, will also be attempted in this project to further improve the device performance of amorphous InGaZnO-based modulation-doped TFT. After all the efforts, we want to provide a solution to realize the amorphous InGaZnO-based modulation-doped TFT with high carrier mobility, and thus to fill in the blank in our country.

为了应对下一代显示技术发展的需要，并拓展非晶InGaZnO基薄膜晶体管在传感器、集成电路等领域的应用，本项目拟利用基于异质结的MODFET结构来取代目前广泛采用的、基于单个有源层的传统MOSFET结构，用以制备非晶InGaZnO基调制掺杂薄膜晶体管，以期突破非晶InGaZnO材料自身的瓶颈，大幅提升非晶InGaZnO基薄膜晶体管的载流子迁移率。其中，势阱层为非晶InGaZnO，势垒层则通过其他元素（如Mg）对非晶InGaZnO中的Zn进行部分或全部的元素替代来获得，两层材料均采用分子束外延设备生长，以获取理想的界面。进行必要的结构参数优化（如势垒层组分、厚度以及氧空位浓度），深入研究相关影响机制；并通过界面修复、间隔层以及高k栅介质层等技术手段的尝试，进一步提升器件性能。最终为制备高迁移率的非晶InGaZnO基调制掺杂薄膜晶体管提供理论基础和技术支撑，并填补国内相关领域研究的空白。

为了应对下一代显示技术发展的需要，并拓展非晶InGaZnO基薄膜晶体管在传感器、集成电路等领域的应用，本项目着重研究非晶InGaZnO 基异质结的结构，用以制备非晶InGaZnO基调制掺杂薄膜晶体管，以期突破非晶InGaZnO材料自身的瓶颈。.其中，势阱层采用非晶InGaZnO，势垒层则分别为InGaMgO和GaxZn1-xOy。通过势垒层结构参数优化（如材料组分、氧空位浓度），深入探究对异质结以及器件的相关影响机理，结果表明：InGaZnO/InGaMgO异质结呈现I型能带结构，界面处导带出现明显的突变，形成0.24 eV的势阱以及0.83 eV的势垒。该结果预示电子能在势阱内形成积累，并耗尽InGaMgO势垒层，从而在界面处形成二维电子气，界面处的能带弯曲对于形成较大的势垒起到了决定性的作用。通过调控GaxZn1-xOy势垒层的Ga组分，实现针对GaxZn1-xOy/InGaZnO异质结的能带结构的调节，结果表明：随着Ga含量的增加，导带差和价带差呈现连续变化，能带结构由I型逐渐过渡到II型，通过优化，势垒高度达到0.78 eV，适用于调制掺杂薄膜晶体管的构建。.展开高k 栅介质对非晶InGaZnO 基异质结及TFT 性能的影响研究，结果表明：InGaZnO/HfLaO异质结呈现I型能带结构，其中导带差1.48 eV，价带差0.57 eV。相对较大的价带差得益于界面层的形成，HfLaO的沉积抑制了InGaZnO表面的氧空位，从而减少界面缺陷，并证实了界面层的存在，这很好地解释了InGaZnO/HfLaO TFT的超高性能。进而，调节HfLaO中Hf的含量，结果发现：随着Hf含量的增加，HfLaO对于水汽的吸附得到有效抑制，并且低温结晶性也得到控制，从而改善了界面粗糙度，提升TFT器件性能。然而，过多的Hf会产生大量氧空位，带来受主类陷阱，从而恶化器件性能。通过HfLaO的组分优化，实现了优异的器件性能：饱和迁移率高达30.5 cm2V-1s-1，通断比5.9×107，亚阈值摆幅0.151 V/dec以及几乎可忽略的迟滞效应。.上述研究为制备高迁移率的非晶InGaZnO基调制掺杂薄膜晶体管提供理论基础和技术支撑。此外，本项目还向非晶氧化物半导体基紫外光电探测领域进行了拓展，包括MSM型光电探测器以及薄膜光电晶体管，取得了初步成果，为未来的研究打下了良好的基础。