70、氧化物薄膜晶体管：从材料到应用的全面解析

氧化物薄膜晶体管：从材料到应用的全面解析

1. 透明非晶氧化物半导体（TAOS）概述

透明非晶氧化物半导体（TAOS）因其带隙特性而得名，具有与相应晶体类似物相当的大电子迁移率。TAOS TFT的迁移率为10 - 50 cm²(V s)⁻¹，比氢化非晶硅（a - Si:H）TFT的迁移率大1 - 2个数量级，并且可以通过传统的溅射工艺制造。这些优异的性能和工艺优势吸引了面板制造商的关注，他们正在寻找新的背板来驱动下一代平板显示器（FPD）。在各种可能的TAOS组成中，非晶In₂O₃ - Ga₂O₃ - ZnO（a - IGZO）已被广泛研究，用作TFT、电子纸以及OLED和LCD面板的有源层。

2. 高迁移率TAOS的材料设计概念

在离子氧化物中，作为电子通道的导带底（CBM）的性质与作为空穴通道的价带顶（VBM）的性质完全不同。离子氧化物中的CBM主要由阳离子的空s轨道组成，而在VBM中占主导地位的氧2p轨道的贡献相对较小。在后过渡金属（PTM）氧化物中，这种空s轨道的空间扩展很大，使得相邻阳离子的s轨道之间可以直接重叠，因此这些氧化物中的电子有效质量较小。实际上，实现这种情况的离子氧化物被称为“透明导电氧化物”（TCO），以In₂O₃、SnO₂和ZnO为代表。

当这些TCO材料变为非晶态时，结构随机性集中在能量较弱的结构单元上。在大多数非晶材料中，结构随机性主要表现为键角分布。当键角分布较大时，载流子电子的有效质量（即相邻阳离子s轨道之间的转移速率）会如何改变呢？我们考虑共价半导体和离子半导体两种情况：
- 共价半导体 ：相邻原子的空轨道之间的重叠大小对键角的变化非常敏感。因此，会在较高浓度下产生相当深的局域态，由于载流子与这些缺陷的散射，漂移迁移率会大大降低。
- 离子半导体 ：重叠大小主要取决于金属阳离子的选择。当s轨道的空间扩展大于阳离子间距离时，由于s轨道形状是各向同性的，重叠大小对键角分布不敏感。因此，我们可以预期这些离子非晶材料具有与相应晶体形式相当的大迁移率。

金属阳离子s轨道的空间扩展主要由主量子数（n）决定，并受阳离子的电荷状态影响。具有大电子迁移率且与相应晶体相当的透明非晶半导体的候选材料是由电子构型为(n - 1)d¹⁰ns⁰（n ≥ 5）的PTM阳离子构成的透明氧化物。需要注意的是，具有开放壳层结构的过渡金属阳离子由于d - d跃迁引起的吸收而不透明，因此被排除在外。在晶体半导体氧化物的情况下，如ZnO（Zn²⁺具有3d¹⁰4s⁰构型）所示，这一要求可放宽至n ≥ 4，因为晶体材料比非晶氧化物具有更规则和紧凑的结构。

下表总结了不同类型非晶半导体的键合性质和载流子传输特性：
| 材料体系 | 化学键 | 传导机制 | 霍尔电压符号 | 迁移率 cm²(V s)⁻¹ | 示例 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 四面体 | 共价 | 跳跃 | 异常 | ≈1 | Si:H |
| 硫属化物 | 共价 | 跳跃 | 异常 | 10³ | Tl₂Se - As₂Se₃ |
| 氧化物（玻璃半导体） | 共价 + 离子 | 跳跃 | ≈10⁻⁴ | V₂O₅ - P₂O₅ |
| （离子非晶氧化物半导体） | 离子 | 带传导 | 正常 | 10 - 60 | In - Ga - Zn - O |

3. AOS中的电子传输

离子非晶氧化物半导体（AOS）具有一些传统非晶半导体所没有的共同特性：
- 大电子迁移率 ：如10 - 40 cm²(V s)⁻¹，比a - Si:H高1 - 2个数量级，比玻璃半导体或非晶硫属化物高几个数量级。
- 可实现简并态 ：通过掺杂可以实现简并态，这与其他非晶半导体完全不同。例如，晶体硅可以通过载流子掺杂轻松转变为简并态，但到目前为止，a - Si:H尚未实现这种状态。在传统非晶半导体中，传导是通过尾态之间的跳跃或渗流进行的，这就是非晶态下漂移迁移率比晶态小得多的原因。而在非晶PTM氧化物中，通过载流子掺杂，费米能级可以轻松超过迁移率间隙，从而实现带传导。这种显著差异源于材料之间化学键的性质，即具有球形势的强离子键非常有利于形成具有小态密度的浅尾态。
- 主要通过化学掺杂注入电子载流子 ：替代掺杂在晶体半导体和a - Si:H中有效，但在AOS中效率非常低。每个离子主要通过离子键连接，与a - Si:H中的四面体单元相比，在配位结构上具有更大的灵活性。因此，如果保持组成离子的总形式电荷中性，掺杂（或替代）异价离子不会产生电荷载流子。有效的掺杂方法是通过控制沉积过程中的氧气压力或注入低电子亲和势的阳离子来改变氧离子的化学计量比，这两种过程都会改变阳离子和阴离子的电荷价态，从而将载流子电子注入CBM。

在In₂O₃ - Ga₂O₃ - ZnO系统的薄膜中，纯In₂O₃和ZnO薄膜即使在室温下沉积也为晶体，且难以将载流子浓度控制在10¹⁷ cm⁻³以下。纯Ga₂O₃形成非晶薄膜，但无论沉积条件如何，载流子掺杂（即形成浅氧空位）都非常困难。因此，该三元系统中的这些端元材料由于晶界导致的局部不均匀性、无稳定非晶相和/或载流子产生困难而不适用。而In₂O₃ - Ga₂O₃（a - IGO）和ZnO - Ga₂O₃二元系统以及a - IGZO三元系统中形成了稳定的非晶相。随着Ga³⁺离子含量的增加，霍尔迁移率和载流子浓度迅速降低。

mermaid流程图如下：

graph LR
    A[离子非晶氧化物半导体（AOS）] --> B[大电子迁移率]
    A --> C[可实现简并态]
    A --> D[主要通过化学掺杂注入电子载流子]
    B --> E[比a - Si:H高1 - 2个数量级]
    B --> F[比玻璃半导体或非晶硫属化物高几个数量级]
    C --> G[传统非晶半导体通过尾态跳跃或渗流传导]
    C --> H[非晶PTM氧化物通过载流子掺杂实现带传导]
    D --> I[替代掺杂效率低]
    D --> J[通过控制氧气压力或注入阳离子改变氧离子化学计量比]

4. TAOS TFT的制造

TFT是现代微电子学（如FPD和玻璃上系统）的基本构建块。制造低温TFT将有助于开发柔性大面积电子设备，这些设备具有柔性、轻便、抗冲击和潜在的低成本等特点，适用于大型、经济、高分辨率显示器、可穿戴计算机和纸质显示器。此外，结合“透明电路技术”，TFT甚至可以将显示功能集成到汽车挡风玻璃上。

氢化非晶硅（a - Si:H）和有机半导体在柔性电子领域得到了广泛研究，并已用于制造柔性太阳能电池和TFT。然而，这些器件的性能受到沟道材料低迁移率的限制，例如a - Si:H的场效应迁移率meff小于1 cm² V⁻¹·s⁻¹，并五苯TFT的场效应迁移率约为0.5 cm²·V⁻¹·s⁻¹。此外，由于硅基器件的带隙较窄，它们对透明电路的吸引力较小。

相比之下，由PTM阳离子组成的AOS可以实现简并带传导和大迁移率（超过10 cm²·V⁻¹·s⁻¹）。下面介绍a - IGZO TFT的制造：
- 薄膜制备 ：a - IGZO薄膜可以通过KrF准分子激光脉冲激光沉积或使用InGaZnO₄多晶靶材或该三元系统中适当化合物的传统溅射技术在室温下的氧气气氛中制备。由于所得薄膜是非晶的，与沉积过程中的氧气分压和后退火处理等工艺参数相比，薄膜制备过程并不关键。这些特性为器件制造过程提供了很大的灵活性。
- TFT性能 ：在玻璃基板上制造的TFT，典型的漏源电流（IDS） - 电压（VDS）特性显示，饱和区场效应迁移率（msat）约为13 cm²·V⁻¹·s⁻¹，与线性区（VDS = 2 V时mlin ≈ 9 cm²·V⁻¹·s⁻¹）的迁移率几乎相同。传输特性（IDS与VGS）显示关态电流低于10⁻¹⁰ A，IDS可通过约6 V的施加VGS调制约6个数量级。
- 稳定性问题 ：实际应用中的一个关键技术问题是器件在工作条件下的不稳定性。在驱动FFD时，通常在光照下施加负偏压。因此，TFT在光照和偏压下的不稳定性最为重要。研究表明，通过对背沟道进行钝化处理（如使用致密的Al₂O₃）可以大大减少这些变化，这意味着大气成分（如O₂和H₂O）的光致解吸在这些现象中起着重要作用。
- 制造工艺要点 ：TAOS TFT的典型结构是底栅顶接触型，类似于a - Si:H TFT。有源层的厚度为30 - 50 nm。必须严格避免TAOS层的背沟道暴露于含氢等离子体中，因为氢在TAOS中会作为施主释放电子。例如，通过等离子体增强化学气相沉积直接沉积SiON（a - Si:H中的传统工艺）会使有源层导电。顶接触比底接触更有利于获得更好的欧姆接触，原因如下：
- 等离子体不会在TAOS沉积过程中使金属接触氧化。
- 接触金属的沉积会在接触下方的TAOS层中产生载流子。

制造流程列表如下：
1. 准备玻璃基板。
2. 通过脉冲激光沉积或传统溅射技术在室温氧气气氛中制备a - IGZO薄膜。
3. 进行必要的后退火处理。
4. 构建底栅顶接触型TFT结构，控制有源层厚度在30 - 50 nm。
5. 避免背沟道暴露于含氢等离子体。
6. 沉积接触金属以形成欧姆接触。
7. 对背沟道进行钝化处理以提高稳定性。

氧化物薄膜晶体管：从材料到应用的全面解析

5. TAOS TFT性能影响因素分析

TAOS TFT的性能受到多种因素的影响，下面详细分析这些因素及其作用机制。

5.1 材料成分的影响

在In₂O₃ - Ga₂O₃ - ZnO（IGZO）系统中，不同成分的比例对薄膜的性能有着显著影响。如前文所述，纯In₂O₃和ZnO薄膜在室温沉积时为晶体，且难以控制载流子浓度；纯Ga₂O₃虽能形成非晶薄膜，但载流子掺杂困难。而在a - IGO和a - IGZO等系统中形成了稳定的非晶相。随着Ga³⁺离子含量的增加，霍尔迁移率和载流子浓度迅速降低。这是因为Ga³⁺的引入改变了材料的电子结构和化学键，影响了电子的传输和载流子的产生。

材料成分	晶体状态	载流子浓度控制	霍尔迁移率
纯In₂O₃	晶体	困难	约34 cm²·V⁻¹·s⁻¹
纯ZnO	晶体	困难	约19 cm²·V⁻¹·s⁻¹
纯Ga₂O₃	非晶	困难	-
a - IGO（低Ga³⁺含量）	非晶	较易	约25 cm²·V⁻¹·s⁻¹
a - IGO（高Ga³⁺含量）	非晶	较易	约1 cm²·V⁻¹·s⁻¹
a - IGZO	非晶	较易	受Ga³⁺含量影响

5.2 工艺参数的影响

工艺参数对TAOS TFT的性能也至关重要。沉积过程中的氧气分压会影响氧离子的化学计量比，从而改变阳离子和阴离子的电荷价态，进而影响载流子的注入。后退火处理可以改善薄膜的结构和性能，提高电子迁移率和器件的稳定性。例如，适当的退火温度和时间可以减少薄膜中的缺陷，增强化学键的稳定性。

工艺参数	影响方面	作用机制
氧气分压	载流子注入	改变氧离子化学计量比，影响阳离子和阴离子电荷价态
后退火处理	薄膜结构和性能	减少缺陷，增强化学键稳定性

5.3 外界环境的影响

外界环境因素如光照和偏压会影响TAOS TFT的稳定性。在光照和偏压下，TFT会出现阈值电压的负移和关态电流的增加。研究发现，通过对背沟道进行钝化处理（如使用致密的Al₂O₃）可以大大减少这些变化，这表明大气成分（如O₂和H₂O）的光致解吸在这些现象中起着重要作用。

mermaid流程图如下：

graph LR
    A[TAOS TFT性能] --> B[材料成分]
    A --> C[工艺参数]
    A --> D[外界环境]
    B --> E[Ga³⁺含量影响迁移率和载流子浓度]
    C --> F[氧气分压影响载流子注入]
    C --> G[后退火处理改善薄膜性能]
    D --> H[光照和偏压影响稳定性]
    H --> I[光致解吸大气成分]
    I --> J[阈值电压负移和关态电流增加]
    J --> K[通过背沟道钝化改善]

6. TAOS TFT的应用前景

TAOS TFT凭借其优异的性能和独特的特点，在多个领域展现出了广阔的应用前景。

6.1 平板显示领域

在平板显示领域，TAOS TFT可用于驱动下一代平板显示器（FPD），如OLED和LCD面板。其大电子迁移率和可实现简并带传导的特性，使得显示器能够实现更高的分辨率、更快的响应速度和更低的功耗。与传统的a - Si:H TFT相比，TAOS TFT能够提供更好的图像质量和性能。

6.2 柔性电子领域

TAOS TFT适用于柔性电子设备的制造，如柔性太阳能电池、可穿戴计算机和纸质显示器等。由于其可以在低温下制造，能够与柔性基板兼容，并且具有柔性、轻便、抗冲击等优点，满足了柔性电子设备对器件性能和物理特性的要求。

6.3 透明电路领域

结合“透明电路技术”，TAOS TFT可以将显示功能集成到透明基板上，如汽车挡风玻璃。这为实现透明显示和智能车窗等应用提供了可能，拓展了显示技术的应用场景。

7. 总结

TAOS作为一种具有独特性能的非晶氧化物半导体，在电子传输和器件制造方面展现出了许多优势。其大电子迁移率、可实现简并态和主要通过化学掺杂注入电子载流子等特性，使其成为制造高性能TFT的理想材料。在TAOS TFT的制造过程中，需要注意材料成分的选择、工艺参数的控制和外界环境的影响，以确保器件的性能和稳定性。

TFT在平板显示、柔性电子和透明电路等领域具有广阔的应用前景，有望推动相关领域的技术发展和创新。随着研究的不断深入和技术的不断进步，TAOS TFT有望在更多领域得到应用，并为未来的电子设备带来新的突破。

未来，我们可以进一步研究TAOS材料的性能优化方法，探索更有效的掺杂技术和制造工艺，以提高TAOS TFT的性能和稳定性。同时，还可以拓展TAOS TFT的应用领域，开发更多具有创新性的电子设备。

制造TAOS TFT的关键步骤总结列表如下：
1. 准确选择材料成分，根据需求调整In₂O₃、Ga₂O₃和ZnO的比例。
2. 严格控制工艺参数，包括沉积时的氧气分压和后退火处理的条件。
3. 采用合适的制造工艺，如脉冲激光沉积或传统溅射技术。
4. 构建合适的TFT结构，如底栅顶接触型。
5. 避免背沟道暴露于含氢等离子体，确保有源层性能稳定。
6. 对背沟道进行钝化处理，提高器件的稳定性。
7. 进行性能测试和优化，确保器件满足应用要求。