氧化物半導體，作為電子應用的薄膜電晶體(TFTs)的有源溝道層已被廣泛研究。然而，氧化物TFTs的場效應遷移率(μFE)，不足以與低溫加工的多晶矽TFTs (50-100 cm2V−1s−1)競爭。
在此，來自日本島根大學的Yusaku Magari等研究者，提出了一種獲得高效能薄膜電晶體(TFTs)的簡單工藝，即透過低溫固相結晶(SPC)工藝生長的氫化多晶In2O3(In2O3：H) 薄膜電晶體。相關論文以題為“High-mobility hydrogenated polycrystalline In2O3 (In2O3:H) thin-film transistors”發表在Nature Communications上。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28480-9
寬頻隙氧化物半導體(OSs)，作為薄膜電晶體(TFTs)的有源通道層已被廣泛研究，其可廣泛用於下一代平板顯示器、非易失性儲存器、逆變器、各種感測器、肖特基器件等領域。在OSs中，由於具有合理的場效應遷移率(μFE)超過10 cm2V−1 s−1，極低漏電流，低工藝溫度(<350°C)以及大面積可擴充套件性，非晶In-Ga-Zn-O (a-IGZO)TFTs現在已經成為有源矩陣液晶顯示器(AMLCDs)和有源矩陣有機發光二極體(AMOLED)顯示器的背板標準。雖然a-IGZO TFTs的μFE值比氫化非晶Si (a-Si:H) TFTs (<1 cm2 V−1 s−1)高10倍以上，但還不足以與低溫加工的多晶Si (LTPS) TFTs (50-100 cm2 V−1 s−1)相競爭。LTPS TFTs的主要缺點是相對較高的過程溫度(450-550°C)和昂貴的結晶過程。OSTFTs的高μFE值意味著這些器件可以用於LTPS TFTs占主導地位的領域，以及與Si不相容的透明和靈活器件。
人們研究了多種提高OS TFTs μFE值的方法，包括陽離子組成、多通道結構、雙柵極結構、金屬覆蓋層結構、後處理以及它們的組合。其中，陽離子組分控制是最有前途的方法。它不需要額外複雜的過程來整合OS TFTs。富含In的OSs已經被廣泛研究。In 5s軌道具有較大的空間擴充套件和重疊，可以提供一個低電子有效質量的容易的電子輸運路徑。然而，未摻雜的In2O3薄膜表現出較高的本底電子濃度(1019-1021cm-3)，這是由於氧空位等原生缺陷的存在，使得TFTs的閾值電壓難以控制。為了抑制In2O3中載流子的濃度，加入了Ga、Hf、Si、Al和W等元素，這些元素與氧具有較大的鍵離解能。許多AOS TFTs已經探索了多組分氧化物半導體，包括In–W–Zn–O, Al–In–Sn–Zn–O以及In–Ga–Zn–Sn–O。然而，多組分氧化物使沉積膜的成分控制複雜化。此外，多金屬離子在導電帶附近引起電位波動，可能會阻礙電子傳輸。
最近，晶體OSs被提出來提高載流子遷移率，因為無序誘導的子隙態可以透過點陣有序來抑制。Yang等人報道了使用700°C退火的In-Ga-O多晶TFT的μFE值為60.7 cm2 V−1 s−1。雖然高溫退火可以使氧化物活性通道層具有更好的電氣效能，但這種高溫並不適合玻璃或塑膠基板上的器件應用。在300°C條件下，透過固相結晶(SPC)形成的氫化In-Ga-O多晶TFT的μFE值為50.6 cm2 V−1 s−1。
在此，研究者提出了一種獲得高效能TFTs的簡單材料和簡單工藝，即透過低溫SPC工藝生長的氫化多晶In2O3(In2O3:H) TFTs。在300°C條件下製備的In2O3:H TFTs表現出優異的開關效能，µFE= 139.2 cm2V−1s−1，亞閾值擺動為0.19 Vdec−1，閾值電壓為0.2 V。濺射沉積過程中引入的氫對SPC-製備的In2O3:H晶粒尺寸的增大和缺陷的減少起著重要的作用。該方法不需要任何額外的昂貴裝置和/或改變傳統的氧化物TFT製造工藝。這些用SPC生長的In2O3:H TFTs，在未來的透明或柔性電子應用中有很大的應用潛力。
圖1 In2O3和In2O3:H薄膜的結構性質。
圖2 In2O3和In2O3:H薄膜的電學和光學性質。
圖3 In2O3:H的特性。
圖4 In2O3:H的可靠性。
綜上所述，研究者使用低溫SPC工藝演示了高效能的多晶In2O3:HTFTs的製備。為了保證沉積In2O3:H薄膜的非晶態，在沉積In2O3:H過程中，濺射系統中加入適量的H2。透過低溫SPC(溫度在200℃以下)將沉積態的非晶In2O3:H薄膜轉化為晶粒尺寸在140nm左右的多晶In2O3:H薄膜。結果表明，In2O3:H膜可獲得104.0 cm2V−1 s−1的高µH。在濺射過程中，其µH值比未引入H2的In2O3薄膜高5倍。此外，在300℃室溫下退火後，SPC生長的In2O3:H薄膜的Ne顯著降低到2.0×1017cm−3；該Ne值比未引入H2的In2O3薄膜低兩個數量級。因此，在濺射過程中引入氫，然後在空氣中退火是一種提高In2O3:H薄膜結晶度和Ne值的有效方法。用所製備的In2O3:H薄膜作為TFT的通道，得到的In2O3:H TFT表現出極高的µFE(139.2 cm2V−1s−1)，適當的Vth為0.2 V，較小的SS為0.19 V dec−1。TFT的HRTEM分析表明，在In2O3:H/SiO2柵極介電介面附近，立方雙雲母體具有較高的結晶性，這是TFT具有高µFE的原因。
該方法不需要任何額外的昂貴裝置和/或改變傳統的氧化物TFT製造工藝。此外，二元氧化銦薄膜的組成控制比三元和四元半導體薄膜更容易。這些用SPC生長的In2O3:H TFTs，在未來的透明或柔性電子應用中是有前途的候選者。（文：水生）
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