高性能氧化锌基薄膜晶体管的研制及相关问题研究

In recent years, the representatives of the thin film transistor liquid crystal display for the new flat panel display has become one of the important development direction of information industry. Therefore, the transparent ZnO-based thin-film transistors have become a research hotspot. On the basis of pervious work, it is very significant issue that the electrical performance and stability of ZnO-based TFTs were strongly affected by the defects of oxygen vacancy in oxide semiconductor materials and interface trap density between the oxide semiconductor channel layer and dielectric layer. At present, the research project focus on and well going to study in depth by experiment and theoretical calculation to further investigate the effects of nitrogen and hydrogen (N/H), nitrogen and oxygen (N/O) codoping on the defects, carrier transport and Fermi level changes mechanism of the ZnO-based thin films, as well as influence of the electrical properties and stability of ZnO-based TFTs. Due to the N/H or N/O codoping reduction of oxygen vacancy defects and the interface trap density, the electrical performances and stability of ZnO-based TFTs could be improved simultaneously. By the optimization and rational design, we can fabricate and obtain the high performance and high stability such as the mobility of over 50 cm2/Vs and the threshold voltage of less than 3 V and the sub-threshold slope value of less than 200 mV, and the threshold voltage shifts control under 2 V of the ZnO-based TFTs, which provides technical support for the field of flat panel displays in the future.

近年来，以薄膜晶体管液晶显示器为代表的新型平板显示器已经成为信息产业的重要发展方向之一。而透明ZnO基薄膜晶体管已经成为了研究热点。基于原有的工作基础发现，ZnO基半导体材料内氧空位缺陷和介电材料与ZnO基半导体沟道材料之间的界面缺陷态密度都是影响器件性能和稳定性的重要问题。针对上述问题，本项目拟采用实验和理论计算深入研究氮和氢（N/H）或者氮和氧（N/O）等共掺杂元素对ZnO基薄膜的缺陷、载流子输运、费米能级的变化以及器件电学性能调控和稳定性作用机理。由于共掺杂元素减少氧空位缺陷和界面缺陷态密度的作用，因而同时改善和提升ZnO基薄膜晶体管的电学性能和稳定性。通过合理优化设计，最终研制出载流子迁移率达到 50 cm2/Vs，工作电压小于 3 V，亚阈值斜率小于200 mV和阈值电压偏移控制2 V以下的高性能、高稳定性ZnO基薄膜晶体管, 为未来平板显示器领域提供技术支持。

本项目主要以基于氧化锌基氧化物薄膜晶体管(TFT) 为研究对象，开展氧化物TFT研制和器件机理研究等方面的工作。本项目主要针对ZnO基氧化物TFT的一系列电学性能和稳定性问题进行深入的研究，通过实验和理论计算重点研究掺杂元素对ZnO或InGaZnO氧化物TFT的电学性能和器件稳定性的作用机理以及器件界面调控等问题。本项目按照研究计划执行，完成任务书中全部研究计划和目标，取得的主要成果如下：1）通过磁控溅射实验方法研制Li和Y 掺杂ZnO高性能、高稳定性氧化物TFT, 并研究和明显改善器件的迁移率，阈值电压，亚阈值斜率和电流开关比等电学特性和偏压稳定性，也给出了合理的掺杂含量和重要的作用。2）研究H等离子体处理对非晶态InGaZnO TFT的电性能和可靠性的影响，总结出H在InGaZnO薄膜中浅施主和钝化缺陷作用机理。3）通过磁控溅射法N/H共掺杂ZnO薄膜，研制出高性能、高稳定性ZnO TFT。实验和理论计算研究N/H共掺杂在ZnO薄膜中费米能级的变化以及载流子输运和器件机理。通过研究器件低频噪声特性归纳出N/H共掺杂有效降低ZnO TFT的界面缺陷态密度作用。4）通过磁控溅射法研制高性能、高稳定性Mg/H共掺杂InGaZnO TFT，并且研究了InGaZnO: Mg/H TFT在不同工作条件（偏压、光照和温度）下的器件稳定性。5）另外，我们也通过控制In和Hf的含量在ZnO薄膜，研究HfInZnO TFT的电学性能和稳定性。通过优化合理设计，最终获得了较高的场效应迁移率为35 cm2/Vs、低亚阈值摆幅为0.21 V/dec.、电流开关比高达108、较小的阈值电压为0.5 V以及阈值电压偏移控制2 V 以下的高性能、高稳定性ZnO基氧化物TFT。本项目研究将促进金属氧化物薄膜晶体管的发展，为新一代电子器件领域提供关键材料和技术支持。在本项目的资助下，在国内外重要期刊共发表6篇SCI学术论文，申请中的发明专利2项，正在培养硕士研究生3名，圆满地完成了项目书中的预期研究成果。