去离子水浸泡 IGZO 薄膜晶体管的特性研究

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文献速读

非晶铟镓锌氧 (IGZO) 半导体因其优异的特性，已成为平板显示器和传感器领域广泛应用的材料，但其性能受环境因素尤其是水的影响较大。本文研究了去离子水对 IGZO 薄膜晶体管 (TFT) 性能的影响。实验结果表明，IGZO TFT 在去离子水中浸泡 24 h后，场效应迁移率和阈值电压变化不大。然而，亚阈值摆幅、正偏置应力和负偏置应力稳定性明显下降。通过对 IGZO 薄膜的化学成分、表面形貌和厚度进行分析，我们发现去离子水对 IGZO 薄膜具有选择性蚀刻作用，这导致薄膜表面粗糙化，并富集了In和氧空位。这些变化解释了水影响器件性能下降的原因。

正文导读

背景及意义： 非晶铟镓锌氧 (IGZO) 薄膜晶体管 (TFT) 凭借其高电子迁移率、低温制备工艺、适用大面积应用以及低成本等优势，已成为新一代显示驱动器领域的关键部分。

除了性能优势，器件的稳定性对于实际应用至关重要。近年来，针对 IGZO TFT 在电场、光场和温度场影响下的稳定性问题，已取得显著进展。通过钝化层和/或水/氧阻隔层的保护，环境稳定性问题基本得到解决。然而，随着应用范围的扩大，对器件提出了更严苛的要求，例如亚微米尺寸、耐高温高湿环境以及特定信号检测等。这些应用都要求TFTs 具有良好的化学/环境稳定性。然而，关于氧化物晶体管与外界环境中化学物质相互作用规律和机理的研究尚不充分。水作为最普遍存在的物质，对氧化物半导体薄膜及其晶体管性能的影响尚未得到系统研究。

创新性：已有研究主要关注水蒸气环境对 IGZO 器件的影响，结论通常归纳为两种：一是水分子吸附到氧化物表面，捕获自由电子，导致阈值电压正移；二是水分子诱导形成额外的电子积累层，导致阈值电压负移。然而，这些研究较少关注 IGZO 本身的变化。为了排除其他因素的影响，本工作在室温下将 IGZO TFT 直接浸入去离子水中，通过改变浸泡时间（tb），对器件的电学性能、稳定性、沟道膜的化学成分、表面形貌和厚度等进行了系统研究，揭示了水对 IGZO TFT 性能的影响机制。

图文导读

图1：去离子水浸泡时间对IGZO TFT电性能影响

图2：IGZO 薄膜X射线光电子能谱测试

图3：a）IGZO、In2O3、Ga2O3和ZnO的薄膜厚度随tb的变化; b）不同tb的水浴处理后的TFT的光学图像。

图4: IGZO薄膜在tb = a）0 h，b）1h ，c）8 h，d）24 h的AFM图像; e）横截面粗糙度曲线和f）粗糙度值

图5：a）当IGZO浸泡在水中时，表面金属阳离子发生变化; b）去离子水浸泡24 h后的表面形貌

总结与展望

本研究成功解释了水对 IGZO TFTs 的直接影响机理。位于Vo旁边的Ga和Zn最不稳定，与水反应最活跃。这些结果强调了减少表面/界面层中的Vo对改善化学持续时间的重要性，为传感器器件的挑战提供了线索，并表明了针对基于氧化物半导体的不同应用进行个性化设计的必要性。

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期刊简介

期刊Advanced Electronic Materials重点发表物理：应用、材料科学：综合、纳米科技相关方向的文章。

该期刊是一个跨学科论坛，在材料科学，物理学，电子和磁性材料工程领域进行同行评审，高质量，高影响力的研究。除了基础研究外，它还包括电子和磁性材料、自旋电子学、电子学、器件物理学和工程学、微纳机电系统和有机电子学的物理和物理性质的研究。期刊最新引文指标为0.9，最新影响因子为5.3（2023）。

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