《Surfaces and Interfaces》：通過光子燒結輕鬆修複溶液處理的In-Ga-Zn-O薄膜晶體管中的界麵缺陷（IF=6.256）

發布日期：2024-11-29瀏覽次數：703

背景：

我們介紹了光子燒結作為一種通用且經濟高效的界麵處理方法，用於溶液處理的In-Ga-Zn-O薄膜晶體管，重點研究其提高操作穩定性的潛力。我們製造了溶液處理的基於IGZO的薄膜晶體管(IGZO-TFT)，並係統地研究了IPL發射次數對決定器件電氣特性的關鍵參數的依賴關係。在相同的正偏壓應力(PBS)條件下，我們將經過約5分鍾IPL退火處理的IGZO-TFT的操作穩定性與經過2小時傳統高溫熱處理的IGZO-TFT進行比較，結果發現IPL退火的IGZO-TFT表現出卓越的穩定性，並且閾值電壓偏移顯著抑製了約22%（從3.31到2.58V）。為了獲得更深入的見解，我們采用了光激發電荷收集光譜分析，該分析提供了氧空位和氫相關界麵缺陷狀態（位於2.1~2.5eV處，低於導帶最小值2.79eV附近）快速恢複的定量證據，影響了器件的運行穩定性。我們的研究結果強調了IPL退火相對於耗時的熱處理的技術優勢，使其成為優化IGZO-TFT性能的有前途的方法。

文獻介紹：

最近的顯示技術已朝著具有大麵積、高分辨率、高幀率和高色純度的下一代超高清(UHD)顯示器的方向發展。為了實現此類顯示器的穩定運行，顯示麵板中的薄膜晶體管(TFT)的有源通道層需要具有大麵積均勻性和高場效應遷移率。長期以來，非晶矽(a-Si)或多晶矽(poly-Si)一直被認為是大麵積TFT陣zhen列lie有you源yuan通tong道dao層ceng的de合he適shi候hou選xuan材cai料liao。然ran而er，由you於yu非fei晶jing矽gui或huo多duo晶jing矽gui的de固gu有you特te性xing，此ci類lei材cai料liao在zai大da麵mian積ji顯xian示shi器qi上shang的de商shang業ye應ying用yong受shou到dao嚴yan重zhong限xian製zhi。例li如ru，雖sui然rana-Si很容易實現大麵積均勻性，但由於定向sp3雜化軌道特性導致固有的懸空鍵和各向異性載流子傳輸路徑，a-Si基TFT的場效應遷移率受到嚴重限製。另一方麵，多晶矽（poly-Si）已被用作商用中小型高分辨率顯示器的TFT背板有源通道層，與非晶矽相比，其遷移率更佳。然而，盡管基於多晶矽的TFT具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)電(dian)氣(qi)性(xing)能(neng)，但(dan)由(you)於(yu)多(duo)晶(jing)矽(gui)通(tong)道(dao)層(ceng)晶(jing)粒(li)尺(chi)寸(cun)不(bu)均(jun)勻(yun)導(dao)致(zhi)麵(mian)積(ji)均(jun)勻(yun)性(xing)較(jiao)差(cha)，因(yin)此(ci)仍(reng)然(ran)難(nan)以(yi)應(ying)用(yong)於(yu)大(da)麵(mian)積(ji)顯(xian)示(shi)技(ji)術(shu)。非(fei)晶(jing)氧(yang)化(hua)物(wu)半(ban)導(dao)體(ti)（AOS）是最有希望的通道材料候選材料之一，它可以同時滿足大麵積均勻性和高場效應遷移率的要求。由於AOS的導帶底由來自後過渡金屬陽離子的大量分散的（n-1）d10ns0軌道（n≥4）組成，即使在有利於大麵積均勻性的非晶相中，遷移率也可以足夠高，使其在TFT背板中成功實現商業化，用於大麵積和高分辨率顯示應用。此外，AOS的寬帶隙增強了可見透明度並降低了關態電流，從而分別導致高孔徑比和低功耗。

到目前為止，大多數關於下一代TFT背板的研究都采用了真空沉積的AOS有源層。在這種情況下，通常需要超過300℃的高溫退火工藝，持續1小(xiao)時(shi)以(yi)上(shang)才(cai)能(neng)形(xing)成(cheng)合(he)格(ge)的(de)通(tong)道(dao)。這(zhe)嚴(yan)重(zhong)限(xian)製(zhi)了(le)這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)在(zai)柔(rou)性(xing)和(he)可(ke)卷(juan)曲(qu)顯(xian)示(shi)器(qi)上(shang)的(de)應(ying)用(yong)，因(yin)為(wei)它(ta)們(men)需(xu)要(yao)低(di)溫(wen)製(zhi)造(zao)工(gong)藝(yi)。因(yin)此(ci)，為(wei)了(le)解(jie)決(jue)這(zhe)一(yi)問(wen)題(ti)，人(ren)們(men)開(kai)展(zhan)了(le)多(duo)項(xiang)關(guan)於(yu)氧(yang)化(hua)物(wu)TFT背板低溫溶液工藝的研究。盡管氧化物TFT的高場效應遷移率和開/關(guan)比(bi)等(deng)靜(jing)態(tai)性(xing)能(neng)已(yi)通(tong)過(guo)溶(rong)液(ye)工(gong)藝(yi)實(shi)現(xian)，但(dan)與(yu)真(zhen)空(kong)工(gong)藝(yi)器(qi)件(jian)相(xiang)比(bi)，其(qi)對(dui)於(yu)工(gong)業(ye)應(ying)用(yong)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)的(de)操(cao)作(zuo)穩(wen)定(ding)性(xing)仍(reng)然(ran)受(shou)到(dao)嚴(yan)重(zhong)阻(zu)礙(ai)。特(te)別(bie)是(shi)，由(you)於(yu)溝(gou)道(dao)/介電界麵陷阱態對於操作穩定性至關重要，因此在溶液工藝氧化物TFT中強烈需要簡便的界麵處理工藝。最近，已有多項關於通過強脈衝光(IPL)工藝在低溫下快速退火器件的溶液基氧化物TFT的報道。雖然傳統的深紫外退火方法可以在150℃下對氧化物有源層進行退火，但器件退火時間較長（約2小時），並且該工藝必須在無氧、無濕氣的N2環境中進行。相比之下，在IPL工藝中，最高工藝溫度達到約212℃（圖S1），略高於紫外處理。但是，該工藝時間較短，不到5分鍾，並且可以在環境空氣中進行，而不需要N2huanjing。yinci，keyishuogaigongyigengjiajianbianqiejingjigaoxiao。raner，youyuquefashidangdefangfa，henshaoyourenyanjiuqiduiqijianwendingxingdeyingxiang，youqishishenrudejiemianquexianfenxi。

我們報道了IPL處理對溝道和介電層之間的界麵陷阱態密度（DOS）的影響，而界麵陷阱態密度決定了溶液處理的In-Ga-Zn-O（IGZO）TFT的工作穩定性。采用一係列IPL照射製備了溶液處理的IGZO-TFT，以探索它們對器件性能的影響。隨後，進行了係統的研究以闡明IPL處理的關鍵工藝參數，這些參數顯著影響器件的電特性。通過比較經IPL和傳統高溫熱退火處理的氧化物TFT中Vth相對於正偏壓應力（PBS）時間的變化，IPL處理的器件表現出比熱處理器件更顯著的工作穩定性。為了揭示IPL處理過的器件工作穩定性顯著提高的背後原因，使用光激發電荷收集譜（PECCS）分析進行了細致的檢查。這項分析旨在揭示IPL和熱退火工藝對柵極絕緣體/通道界麵附近的狀態密度的複雜影響。通過探索狀態密度，我們深入了解了通過IPL處理實現卓越性能和穩定性的機製。通過深入應用PECCS分析，我們的調查發現了一個令人信服的發現：IPL工藝在不到5分鍾的極短時間內被證明能夠非常有效地抑製界麵氧/氫相關缺陷。相比之下，在經過2小時的傳統熱退火工藝的器件中，缺陷仍然存在。這一結果強調了IPL處理在快速緩解這些關鍵缺陷方麵的卓越效率，進一步凸顯了其作為熱退火方法的省時、高效替代方案的潛力。

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