原位氧化高k栅绝缘层及其在非晶氧化物薄膜晶体管中的应用

Amorphous oxide semiconductor（AOS）thin film transistor (TFT) is considered to be the core element for new generation display in active matrix organic light emitting diode display (AMOLED) due to its high electron mobility, room temperature processing, high transmittance in visible light range and good uniformity.etc. According to the problem that the traditional high-k gate insulating layer has high leakage current and poor contact performance with the channel layer, we develop a new method to fabricate high-k insulator by using an in-situ metal oxidation process in this proposal. This new method can avoid the damage of channel layer by traditional insulator deposition, and reduce the charge defects between channel layer and insulating layer to obtain high-k insulating layer with low leakage current and high reliability.Through systematic study of the relationship between preparation process, microstructure and insulator properties, and establishment of the corresponding diffusion and energy band model, the formation mechanism of in situ oxidation of insulating layer is deeply analyzed. By designing and optimizing device structure, high performance top gated AOS TFT device is obtained by MEMS process. Furthermore, the electrical stability of AOS TFT under illumination and bias voltage is investigated. This work can provide a new idea and method for the preparation of high-k gate insulator AOS TFT, and has important scientific value and positive meaning to realize the industrialization of AOS TFT.

非晶氧化物半导体（AOS）薄膜晶体管（TFT）因其迁移率高、可见光透明、可低温制备和均匀性好等优点成为有源矩阵有机发光二极管（AMOLED）等新一代平板显示的核心元件。针对传统高k栅绝缘层具有较高漏电流且与沟道层界面接触性能差的问题，本申请提出利用金属与非晶氧化物界面发生的原位氧化反应制备高k栅绝缘层材料，突破传统高k栅绝缘层沉积方法对沟道层薄膜破坏的限制，解决沟道层与绝缘层接触界面电荷缺陷问题，实现高k栅绝缘层低漏电流和高可靠性。通过系统研究制备工艺-微结构-绝缘层性能之间的关系，以及建立相应扩散和能带模型，深入解析原位氧化绝缘层形成机理。在此基础上，设计合理的器件结构，通过MEMS工艺制备高性能AOS TFT，研究AOS TFT在光照和偏压下的电学稳定性。本研究工作能为高k栅绝缘层AOS TFT的制备提供一种新思路和新方法，对实现AOS TFT产业化具有重要的科学价值和积极的推进意义。

非晶氧化物半导体薄膜晶体管（AOS-TFT）因其迁移率高、可见光透明、可低温制备和均匀性好等优点成为有源矩阵有机发光二极管（AMOLED）等新一代平板显示的核心元件。本研究通过优化制备工艺得到组分为 10 wt% IZO (90 wt% In2O3-10 wt% ZnO)的 a-IZO 薄膜具有良好的非晶结构特性。研究氧分压对 IZO 薄膜性质的影响，优化出沟道层 IZO 和电极 IZO薄膜。借助高分辨透射电子显微镜（HRTEM），研究了 a-IZO/Ti/a-IZO 和a-IZO/Al/a-IZO 两种三明治薄膜结构 Ti 和 Al 原位氧化层厚度与退火时间、退火温度的关系，发现原位氧化层厚度随退火温度和退火时间的增加而增加。制备了基于原位氧化结构的顶栅 IZO TFT 器件，研究表明：8 小时退火后大面积（LG = 50 μm）原位氧化结构 TFT 器件饱和迁移率高达 115 cm2/V.s、开关电流比 > 107、阈值电压绝对值 < 0.5 V、亚阈值电压摆幅为 0.14 V/decade；HRTEM观察和C-VG测试结果证明了TFT器件在退火后Al完全原位氧化生成了Al2O3，一方面可以保护IZO薄膜，另一方面也可以和HfO2组成共栅绝缘层，确保器件正常工作。 制备了基于原位氧化结构的新型垂直多沟道结构 IZO TFT 器件，器件有效面积为 100μm2，器件具有良好的饱和特性，且在 VG=4V 较低电压下可以得到 4.5mA 的高输出电流，电流开关比也大于 106。本研究能为高 k 栅绝缘层 AOS TFT 的制备提供一种新思路和新方法，对实现 AOS TFT 产业化具有重要的科学价值和积极的推进意义。本研究发表 SCI 论文12 篇，授权发明专利 2 项，发布标准2项，培养研究生 3 名。