原子层组装非晶氧化物半导体柔性TFT及可靠性研究

Amorphous oxide semiconductor (AOS) channel-based flexible thin-film transistor (TFT) will be investigated for the application of low power and high performance flexible electronic systems.The atomic-layer-deposition (ALD) technique, which is compatible with the thermal stability of flexible polyimide substrate, will be used to assemble the channel/gate insulator of TFT.We will investigate ALD AOS films such as InGaZnO, InGaZnAlO and so on, as well as the effect of element composition in the AOS film on its mobility and carrier concentration etc, understanding deeply the related physical mechanisms.By introducing new materials, new processes and new structures, we will study the relationship between the device performance and them, and attain the theory and strategy for modulation of device performance.By means of engineering and optimization of the material system and physical structure of AOS channel and high dielectric constant gate insulator, we will fabricate flexible TFT with low threshold voltage, small subthreshold swing, a large on-to-off current ratio and a high effective mobility. Further, by studying the reliability of flexible TFT, we will understand deeply possible degradation processes of the device and the underlying mechanism under electrical bias, heating, illumination, mechanical stress etc. This could provide some theories and solutions for improvement in the performance stability of devices.

本项目面向低功耗高性能柔性电子系统的应用，开展基于非晶氧化物半导体（AOS）沟道的柔性薄膜晶体管（TFT）的研究。拟采用与聚酰亚胺柔性衬底热稳定性相兼容的原子层淀积技术来组装TFT的沟道/绝缘栅，研究原子层淀积InGaZnO、InGaZnAlO等AOS薄膜的生长工艺，以及AOS薄膜中元素组成对迁移率、载流子浓度等特性的影响，深入理解相关的物理机制。借助新材料、新工艺和新结构的引入，来研究TFT器件的性能与它们之间的相关性，获得对器件的性能进行调控的理论和方法。通过对AOS沟道和高介电常数绝缘栅的材料体系和物理结构进行设计和优化，制备出阈值电压低、亚阈值摆幅小、开关电流比大、场效应迁移率高的柔性薄膜晶体管。进一步地，通过对柔性薄膜晶体管的可靠性进行研究，深入理解器件在偏压应力、加热、光照、机械张力等条件下可能发生的性能退火过程及潜在的机理，为改善器件性能的稳定性提供理论依据和解决思路。

柔性电子具有薄而轻、抗冲击性强、良好的共形性等优点，因此在许多新兴领域具有广泛的应用前景。本项目面向低功耗高性能柔性电子系统的应用，开展了基于非晶氧化物半导体沟道的柔性薄膜晶体管（TFT）的研究。主要研究内容与成果如下：（1）采用热原子层淀积（T-ALD）技术生长沟道层和栅介质层，研究了基于ZnO/Al2O3、InOx/Al2O3的TFT器件，重点探索了低温后处理工艺对TFT性能的改善效应。针对前者，我们发现在200℃下于空气中退火60分钟能获得在300℃下退火10分钟相类似的效果；针对后者，我们提出利用O2等离子体处理沟道层，可以在很短的时间内显著改善器件的性能。譬如，在200℃氧气中退火4小时后器件仍不具备TFT的功能，然而在200℃下经氧气等离子体处理4分钟后，器件便具有显著的TFT开关功能，例如：场效应迁移率11 cm2V-1s-1, 阈值电压0.9 V,亚阈值摆幅0.38 V/dec,开关电流比107。（2）采用等离子体增强的原子层淀积（PE-ALD）技术，在较低的温度下制备了富氢的SiO2、Al2O3栅介质，通过磁控溅射沉积IGZO薄膜的过程中H元素的自扩散，有效地钝化了IGZO沟道层中的氧空位，因此器件不需要经过任何后退火处理就表现出优异的性能。譬如，基于PE-ALD生长的SiO2介质a-IGZO TFT拥有高达63.6 cm2V-1s-1的场效应迁移率，阈值电压为-0.24V，亚阈值摆幅为0.2 V/dec，开关电流比达到108数量级。（3）采用PE-ALD技术生长富氢的Al2O3薄膜作为栅介质，并以ITO/PET为栅极/基底，在30℃的最高工艺温度下研制出了高性能柔性a-IGZO TFT，并对该柔性器件的机械弯曲等稳定性进行了研究。该器件的阈值电压为0.1V，亚阈值摆幅为245mV/dec，迁移率为17cm2V-1s-1，开关电流比为1.2108。在经过1000次的弯曲后器件的迁移率、亚阈值摆幅均没有发生明显的变化。（4）针对PE-ALD生长的富氢Al2O3栅介质a-IGZO TFT器件，我们进一步研究了其对不同波长可见光的探测性能以及突触功能。借助氢元素界面掺杂技术，获得了对300-500 nm范围内可见光的可分辨的光探测器；通过调控氢元素掺杂浓度，获得了记忆时间在8.9 ms-1000s范围内可调的突触晶体管，单个突触事件的功耗保持在飞焦量级