高性能和柔性氧化锌薄膜晶体管领域取得重要进展
微纳电子器件课题组在高性能和柔性氧化锌薄膜晶体管领域取得重要进展
近来，微电子器件领域国际顶级学术期刊《IEEE Electron Device Letters》连续刊发了国家脉冲强磁场科学中心微纳电子器件课题组关于氧化锌（ZnO）高性能和柔性薄膜晶体管（TFT）的研究成果。2019年2月29日刊发论文题目为“High-Performance Flexible ZnO Thin-Film Transistors by Atomic Layer Deposition”，2021年3月26日刊发论文题目为“Performance Optimization of Atomic Layer Deposited ZnO Thin-Film Transistors by Vacuum Annealing”。吴燕庆教授为论文通讯作者，光电学院2016级博士生王梦飞为第一作者，其余作者包括课题组成员李学飞副研究员、熊雄博士、李晟曼博士、胡倩澜博士、宋健、王欣、詹丹和谷承儒。
作为研究较为广泛的氧化物半导体，ZnO具有宽禁带、透明、高迁移率和低制备成本的优点。基于原子层沉积（ALD）工艺可以在低温下大面积地沉积高质量薄膜的特点，该团队采用了与以往磁控溅射不同的ALD工艺在190 ℃制备了ZnO TFT。为了实现高性能的ZnO TFT需要同时优化器件导通和截止状态的电学性能。然而以往在氢气、氧气、氮气或大气氛围下对ALD ZnO TFT的退火处理难以实现这一要求。针对这一问题，该团队在真空氛围下对器件进行了快速退火处理，并详细摸索了真空退火对器件性能的影响。
图1 (a) 上：ZnO TFT的结构示意图。下：SEM图；(b) 器件的AFM图；(c) 初始ZnO和350 ℃退火ZnO的XRD图谱；(d) 初始ZnO和350 ℃退火ZnO的XPS图谱。
在350 ℃真空退火1 min后，器件的迁移率由18.5 cm2/V·s大幅提升至43.2 cm2/V·s，同时保持5×109的高开关比。由XRD、XPS和1/f噪声测试分析可知退火通过优化ZnO沟道和界面质量提升器件的性能。在退火后，ZnO中的氧空位比例由36.2%提升至40%；ZnO和SiO2界面处的陷阱密度由5.1×1011 eV-1cm-2 下降至1.4×1011 eV-1cm-2；SiO2中陷阱密度由3.7×1019 eV-1cm-3下降至1.1×1019 eV-1cm-3。最后该团队详细调研了退火后器件在20 ℃到180 ℃之间的高温工作稳定性。该工作表明通过真空退火可以进一步提升ZnO TFTs的电学性能，同时可以采用high-κ栅介质进一步优化器件性能，从而满足高性能显示或逻辑应用的需求。
图2 (a) 转移特性曲线随退火温度变化图；(b) 20 ℃、(c) 350 ℃和(d) 500 ℃下退火器件的输出特性曲线。
同时，氧化锌薄膜晶体管在柔性领域的应用研究越来广泛，迁移率和弯曲稳定性是表征柔性ZnO TFT性能的关键指标。以往采用脉冲激光沉积、磁控溅射、溶液法或喷墨打印法制备的柔性ZnO TFTs均难以同时实现高迁移率和高弯曲稳定性。
图3 (a) 上：柔性ZnO TFT的结构示意图。下：实物图；(b) 器件的SEM图；(c) HRTEM和HAADF图；(d) XPS图谱，插图：黏附在铝柱上的柔性样品。
针对这一问题，基于原子层沉积工艺的优势，该团队在低温下沉积了大面积均一高质量的栅介质和沟道材料，并获得了很好的材料界面。器件迁移率达到13 cm2/V·s，开关比为1.5×108。柔性器件还实现了极好的弯曲稳定性。在动态弯曲测试中，器件在0.63%的拉伸应变下承受住了200,000次的弯曲；在静态弯曲测试中，器件承受住了2.08%的静态拉伸应变。在高温测试中，器件在保持0.78%的静态拉伸应变下温度逐渐从20 ℃升到140 ℃，在升温过程中器件一直保持非常稳定的性能。这些结果表明ALD ZnO TFT在柔性电子器件领域具有较好的应用前景。
图3 柔性ZnO TFT的(a) 转移特性和(b) 输出特性随弯曲次数变化图；柔性ZnO TFT的(c) 转移特性和(d) 输出特性随弯曲半径变化图。