由于跟非晶硅面板制程兼容，非晶氧化物InGaZnO(IGZO)自從在實驗室被發(fā)現(xiàn)后，很快進入了顯示驅動工業(yè)應用，如AMLCD、AMOLED、LTPO 面板驅動。以IGZO 為代表的非晶氧化物薄膜晶體管(TFT)在較高的遷移率 (10 cm2/Vs 左右)、低溫大面積制程(可至G8面板以上)、低的關態(tài)電流(約比低溫多晶硅TFT低1000倍)等方面具有獨特的優(yōu)勢。
然而，伴隨著顯示技術的快速發(fā)展，現(xiàn)有顯示驅動無法匹配新型高品質顯示的迫切需求。具體而言，伴隨著顯示面板大面積化(>75 Inch)、超高清化(8K)和高幀頻(240 Hz)的發(fā)展趨勢及未來Micro-LED等高性能顯示的涌現(xiàn)，客觀上要求TFT器件在保持較低關態(tài)電流這一優(yōu)勢的同時，器件場效應遷移率要大于40 cm2/Vs，并兼具較好的性能穩(wěn)定性。
鑒于此，中國科學院寧波材料技術與工程研究所功能薄膜與智構器件團隊的梁凌燕、曹鴻濤研究員基于InSnZnO(ITZO)半導體材料，圍繞靶材-薄膜-工藝-器件研究鏈條開展科研攻關，闡明了靶材質量、源漏電極工藝、稀土摻雜及金屬誘導工藝等對ITZO-TFT性能的影響規(guī)律，為后續(xù)實現(xiàn)高遷、高穩(wěn)的TFT器件打下了堅實基礎。系列工作發(fā)表在IEEE EDL. 42, 529-532(2021)、Appl. Phys. Lett. 119, 212102 (2021)、IEEE TED. 69, 152-155 (2022)、ACS Appl. Electron. Mater. 2023, 10.1021/acsaelm.2c01673。
近期，該團隊攜手中山大學的劉川教授和相關企業(yè)提出了高電子遷移率輸運層和光電子弛豫層的疊層設計，將遷移率和穩(wěn)定性的關聯(lián)/矛盾關系進行了解耦，器件遷移率和穩(wěn)定性(特別是光照和偏壓穩(wěn)定性)分別與輸運層和弛豫層各自的物性及厚度相關聯(lián)，由此實現(xiàn)了高遷移率(>40 cm2V-1s-1，歸一化飽和輸出電流225 μA)和高穩(wěn)定性(NBIS/PBTS △Vth = -1.64/0.76 V)，器件性能水平極具競爭力，解決了目前氧化物TFTs普遍存在的輸運和穩(wěn)定性難以兼顧的難題。
根據(jù)氧化物半導體輸運的滲流理論以及經(jīng)典的載流子擴散機制對實驗結果進行了模擬，理論預測跟實驗結果相吻合，驗證了本設計的有效性和可行性。此外，器件的輸運層和弛豫層厚度均超過20 nm，容易實現(xiàn)大面積均勻性，具有很好的工業(yè)導入前景。研究結果發(fā)表在Adv. Sci. 2023, 2300373. 10.1002/advs.202300373。
上述工作得到了國家重點研發(fā)計劃(2021YFB3600701)、國家自然科學基金(62274167)、中科院重點部署(ZDRW-XX-2022-2)等項目的支持。
TFT應用中的木桶效應以及電子輸運/光電子弛豫疊層設計解決策略與成效
