不含镓/锌的新型非晶氧化物半导体材料及其薄膜晶体管的研究

In the field of flat panel displays (FPDs), amorphous oxide semiconductors are considered to replace the current silicon based semiconductor in the next generation of active matrix FPDs. However, the extensively investigated amorphous indium-gallium-zinc oxide (a-IGZO) having serious problems in electrical stability is vulnerable to dry/wet etching processes and susceptible to atmosphere such as oxygen and moisture, and the related patents and technology standards are monopolized by Japan. Therefore, it is urgent to develop an alternative Ga- and/or Zn- free new-type high-performance amorphous oxide semiconductor. The proposed project aims at achieving air-stable high-performance amorphous oxide thin-film transistors by optimizing experimental parameters and doping high-mobility indium oxides with elements that having strong bond dissociation energy with oxygen to depress the oxygen vacancies to regulate carrier density. Meanwhile, we intensively study other key issues related to the above-mentioned topic by some novel techniques, such as the microscopic relation between the process condition and the transistors’ performance. The achievements in this project will be helpful for further understanding the amorphous oxide semiconductors and their thin-film transistors.

在平板显示领域，非晶氧化物半导体技术被视为很有可能取代硅基半导体技术而成为下一代平板显示的有源驱动技术。非晶铟镓锌氧化物（IGZO）是当前研究得最多与最深入的非晶氧化物半导体，然而由于IGZO存在着不适合干、湿法刻蚀，对氧气、水蒸气敏感，电学稳定性不佳等天然弱点，再加上其技术标准及知识产权几乎为日本所垄断，因此急需开发一种替代的、不含镓/锌的新型高性能非晶氧化物半导体材料。本项目以具有高载流子迁移率的氧化铟为本体，通过向其中掺杂与氧原子结合能力较强的元素及调控工艺参数来控制材料中氧缺陷的数量从而达到控制载流子浓度的目的，并通过进一步优化实验参数获得大气中稳定的高性能薄膜晶体管器件的研制目标。同时本项目还将针对上述研究过程中面临的一些其它关键科学问题，如工艺条件与器件性能之间的微观联系进行深入性的创新研究。这些研究成果将为深入认识非晶氧化物半导体材料及其晶体管器件奠定技术和理论基础。

在平板显示领域，非晶氧化物薄膜半导体技术是一种非常有竞争力的有源驱动显示技术。本项目以具有高载流子迁移率的氧化铟为本体，通过向其中掺杂与氧原子结合能力较强的钨与/或硅元素及调控工艺参数（如掺杂元素的摩尔比例、磁控溅射时的气压与功率、半导体薄膜层的溅射厚度与表面结构、热处理温度与时间以及接触电阻等参数）来获得并研究了大气中稳定的高性能薄膜晶体管器件及其性能，为深入认识非晶氧化物半导体材料及其薄膜晶体管器件奠定技术和理论基础。同时在完成预期目标之后，本项目还就氧化物复合薄膜在无源驱动平板显示技术（场发射显示技术）、离子风产生技术等方面拓展了研究，取得了多项较重要的研究结果。这些研究成果体现在：发表了5篇受本基金号资助的SCI论文（均为JCR二区及以上），申请了相关专利3项（2项已授权），在国际国内学术会议上报告10余次，待发表学术论文数篇，培养硕士研究生4名（其中3名已经取得硕士学位，2名获得校优秀毕业生称号）。此外，项目投入直接经费20万元，支出14.4649万元，结余5.5351万元，剩余经费计划用于本项目研究的后续支出。