非晶InGaZnO基異質結及調製摻雜薄膜電晶體的製備與研究

《非晶InGaZnO基異質結及調製摻雜薄膜電晶體的製備與研究》是依託電子科技大學,由錢凌軒擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：非晶InGaZnO基異質結及調製摻雜薄膜電晶體的製備與研究
• 依託單位：電子科技大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：錢凌軒

項目摘要

為了應對下一代顯示技術發展的需要，並拓展非晶InGaZnO基薄膜電晶體在感測器、積體電路等領域的套用，本項目擬利用基於異質結的MODFET結構來取代目前廣泛採用的、基於單個有源層的傳統MOSFET結構，用以製備非晶InGaZnO基調製摻雜薄膜電晶體，以期突破非晶InGaZnO材料自身的瓶頸，大幅提升非晶InGaZnO基薄膜電晶體的載流子遷移率。其中，勢阱層為非晶InGaZnO，勢壘層則通過其他元素（如Mg）對非晶InGaZnO中的Zn進行部分或全部的元素替代來獲得，兩層材料均採用分子束外延設備生長，以獲取理想的界面。進行必要的結構參數最佳化（如勢壘層組分、厚度以及氧空位濃度），深入研究相關影響機制；並通過界面修復、間隔層以及高k柵介質層等技術手段的嘗試，進一步提升器件性能。最終為製備高遷移率的非晶InGaZnO基調製摻雜薄膜電晶體提供理論基礎和技術支撐，並填補國內相關領域研究的空白。

結題摘要

為了應對下一代顯示技術發展的需要，並拓展非晶InGaZnO基薄膜電晶體在感測器、積體電路等領域的套用，本項目著重研究非晶InGaZnO 基異質結的結構，用以製備非晶InGaZnO基調製摻雜薄膜電晶體，以期突破非晶InGaZnO材料自身的瓶頸。 其中，勢阱層採用非晶InGaZnO，勢壘層則分別為InGaMgO和GaxZn1-xOy。通過勢壘層結構參數最佳化（如材料組分、氧空位濃度），深入探究對異質結以及器件的相關影響機理，結果表明：InGaZnO/InGaMgO異質結呈現I型能帶結構，界面處導帶出現明顯的突變，形成0.24 eV的勢阱以及0.83 eV的勢壘。該結果預示電子能在勢阱內形成積累，並耗盡InGaMgO勢壘層，從而在界面處形成二維電子氣，界面處的能帶彎曲對於形成較大的勢壘起到了決定性的作用。通過調控GaxZn1-xOy勢壘層的Ga組分，實現針對GaxZn1-xOy/InGaZnO異質結的能帶結構的調節，結果表明：隨著Ga含量的增加，導帶差和價帶差呈現連續變化，能帶結構由I型逐漸過渡到II型，通過最佳化，勢壘高度達到0.78 eV，適用於調製摻雜薄膜電晶體的構建。 展開高k 柵介質對非晶InGaZnO 基異質結及TFT 性能的影響研究，結果表明：InGaZnO/HfLaO異質結呈現I型能帶結構，其中導帶差1.48 eV，價帶差0.57 eV。相對較大的價帶差得益於界面層的形成，HfLaO的沉積抑制了InGaZnO表面的氧空位，從而減少界面缺陷，並證實了界面層的存在，這很好地解釋了InGaZnO/HfLaO TFT的超高性能。進而，調節HfLaO中Hf的含量，結果發現：隨著Hf含量的增加，HfLaO對於水汽的吸附得到有效抑制，並且低溫結晶性也得到控制，從而改善了界面粗糙度，提升TFT器件性能。然而，過多的Hf會產生大量氧空位，帶來受主類陷阱，從而惡化器件性能。通過HfLaO的組分最佳化，實現了優異的器件性能：飽和遷移率高達30.5 cm2V-1s-1，通斷比5.9×107，亞閾值擺幅0.151 V/dec以及幾乎可忽略的遲滯效應。 上述研究為製備高遷移率的非晶InGaZnO基調製摻雜薄膜電晶體提供理論基礎和技術支撐。此外，本項目還向非晶氧化物半導體基紫外光電探測領域進行了拓展，包括MSM型光電探測器以及薄膜光電電晶體，取得了初步成果，為未來的研究打下了良好的基礎。