相較于傳統(tǒng)的非晶硅材料，基于金屬氧化物半導(dǎo)體（特別是非晶銦鎵鋅氧InGaZnO）的薄膜晶體管（TFT）具有關(guān)態(tài)電流更小、電子遷移率更高、可見光波段透明等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在已經(jīng)開始用于OLED、QLED等平板顯示的驅(qū)動(dòng)面板。但這類半導(dǎo)體的原理和提升空間，仍然有許多未解之處。其中，如何獲得優(yōu)異的晶體管性能、并準(zhǔn)確表征載流子的遷移率，一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注的研究難點(diǎn)。一方面，有報(bào)道通過復(fù)雜的微納處理方法，可將非晶InGaZnO的場效應(yīng)遷移率提升至大于100 cm2/(V·s)；另一方面，也有報(bào)道單晶InGaZnO的場效應(yīng)遷移率僅為80 cm2/(V·s)左右。因此，能否進(jìn)一步理解和利用這類半導(dǎo)體，則迫切需要迫解決兩個(gè)問題：（1）是否可以使用簡單的技術(shù)，獲得具有很高表觀遷移率的氧化物晶體管？（2）對表觀遷移率很高的晶體管，如何分析和理解？
針對以上問題，近期，我校電子與信息工程學(xué)院劉川教授的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，可以通過簡單封裝和熱退火，制備出穩(wěn)定富含氫的IGZO 晶體管，其晶體管電學(xué)性能、穩(wěn)定性都獲得大大提高。制備方法較簡單且重復(fù)性高，即用氮化硅薄膜封裝，再通過熱擴(kuò)散將氮化硅內(nèi)氫元素?cái)U(kuò)散至InGaZnO薄膜內(nèi)。摻氫后的晶體管，其開態(tài)電流和開關(guān)比都獲得了數(shù)量級的提升（約40倍），而且閾值電壓沒有太大變化。而對應(yīng)提取出的場效應(yīng)遷移率則出現(xiàn)異常，大于300 cm2/(V·s)，遠(yuǎn)高于未經(jīng)處理的對照樣品。然后結(jié)合二次離子質(zhì)譜儀（SIMS）和X射線光電子能譜分析（XPS）表征，發(fā)現(xiàn)薄膜內(nèi)不但氫濃度提升了約一個(gè)數(shù)量級，而且氧空位缺陷態(tài)也大大減少了，而自由電子濃度則相應(yīng)顯著增加。
不具有氫摻雜（左上）和具有氫摻雜（左下）的銦鎵鋅氧電子軌道結(jié)構(gòu)。（右）器件的結(jié)構(gòu)示意圖和電流-電壓特性曲線。
不同于以往研究的是，摻氫后晶體管的關(guān)電流依然維持在很低的狀態(tài)；開關(guān)比不但沒有下降，反而提升了約兩個(gè)數(shù)量級。研究人員運(yùn)用四探針結(jié)構(gòu)測試、凱爾文探針方法，測量溝道電勢的變化，從而發(fā)現(xiàn)了載流子濃度非均勻分布。因此，提出了在溝道內(nèi)和電極附近形成了低-高-低電子濃度的模型。并結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助半導(dǎo)體器件模擬、密度泛函理論計(jì)算，進(jìn)一步驗(yàn)證了這種新的工作原理，從而明確了晶體管開關(guān)比增大、場效應(yīng)遷移率提取異常失真的原因。研究還指出，該工作模式在長溝道晶體管中效果尤為顯著，而在短溝道器件中則受到明顯局限。該工作揭示了氫在氧化物半導(dǎo)體中的穩(wěn)定存在方式和對導(dǎo)電性能的關(guān)鍵作用，為提升長溝道晶體管的電流驅(qū)動(dòng)能力提供了一種新的器件工作模式，并對高遷移率薄膜晶體管的驗(yàn)證和分析提供了普適性的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)方法。
相關(guān)研究成果以 “Analysis of Ultrahigh Apparent Mobility in Oxide Field‐Effect Transistors ”為題， 近期發(fā)表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201801189，中科院一區(qū)期刊，影響因子12.441)上。我校電子與信息工程學(xué)院是第一單位和通訊單位，作者包括陳昌東博士生、楊柏儒教授、吳倩博士、李恭檀博士、詹潤澤博士、鄧少芝教授等。通訊作者為劉川教授。該項(xiàng)工作得到廣東省應(yīng)用研發(fā)專項(xiàng)、光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣東省顯示材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持。
