《Nature》子刊：一种获得高性能薄膜晶体管的简单材料和工艺！

　　氧化物半导体，作为电子应用的薄膜晶体管(TFTs)的有源沟道层已被广泛研究。然而，氧化物TFTs的场效应迁移率(μFE)，不足以与低温加工的多晶硅TFTs(50-100cm2V−1s−1)竞争。在此，来自日本岛根大学的YusakuMagari等研究者，提出了一种获得高性能薄膜晶体管(TFTs)的简单工艺，即通过低温固相结晶(SPC)工艺生长的氢化多晶In2O3(In2O3：H) 薄膜晶体管。相关论文以题为“High-mobilityhydrogenatedpolycrystallineIn2O3(In2O3:H)thin-filmtransistors”发表在NatureCommunications上。

　　宽带隙氧化物半导体(OSs)，作为薄膜晶体管(TFTs)的有源通道层已被广泛研究，其可广泛用于下一代平板显示器、非易失性存储器、逆变器、各种传感器、肖特基器件等领域。在OSs中，由于具有合理的场效应迁移率(μFE)超过10cm2V−1 s−1，极低漏电流，低工艺温度(<350°C)以及大面积可扩展性，非晶In-Ga-Zn-O(a-IGZO)TFTs现在已经成为有源矩阵液晶显示器(AMLCDs)和有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器的背板标准。虽然a-IGZOTFTs的μFE值比氢化非晶Si(a-Si:H)TFTs(<1cm2 V−1 s−1)高10倍以上，但还不足以与低温加工的多晶Si(LTPS)TFTs(50-100cm2 V−1 s−1)相竞争。LTPSTFTs的主要缺点是相对较高的过程温度(450-550°C)和昂贵的结晶过程。OSTFTs的高μFE值意味着这些器件可以用于LTPSTFTs占主导地位的领域，以及与Si不兼容的透明和灵活器件。

　　人们研究了多种提高OSTFTs μFE值的方法，包括阳离子组成、多通道结构、双栅极结构、金属覆盖层结构、后处理以及它们的组合。其中，阳离子组分控制是最有前途的方法。它不需要额外复杂的过程来集成OSTFTs。富含In的OSs已经被广泛研究。In5s轨道具有较大的空间扩展和重叠，可以提供一个低电子有效质量的容易的电子输运路径。然而，未掺杂的In2O3薄膜表现出较高的本底电子浓度(1019-1021cm-3)，这是由于氧空位等原生缺陷的存在，使得TFTs的阈值电压难以控制。为了抑制In2O3中载流子的浓度，加入了Ga、Hf、Si、Al和W等元素，这些元素与氧具有较大的键离解能。许多AOSTFTs已经探索了多组分氧化物半导体，包括In–W–Zn–O,Al–In–Sn–Zn–O以及In–Ga–Zn–Sn–O。然而，多组分氧化物使沉积膜的成分控制复杂化。此外，多金属离子在导电带附近引起电位波动，可能会阻碍电子传输。

　　最近，晶体OSs被提出来提高载流子迁移率，因为无序诱导的子隙态可以通过点阵有序来抑制。Yang等人报道了使用700°C退火的In-Ga-O多晶TFT的μFE值为60.7cm2 V−1 s−1。虽然高温退火可以使氧化物活性通道层具有更好的电气性能，但这种高温并不适合玻璃或塑料基板上的器件应用。在300°C条件下，通过固相结晶(SPC)形成的氢化In-Ga-O多晶TFT的μFE值为50.6cm2 V−1 s−1。

　　在此，研究者提出了一种获得高性能TFTs的简单材料和简单工艺，即通过低温SPC工艺生长的氢化多晶In2O3(In2O3:H)TFTs。在300°C条件下制备的In2O3:HTFTs表现出优异的开关性能，µFE=139.2cm2V−1s−1，亚阈值摆动为0.19Vdec−1，阈值电压为0.2V。溅射沉积过程中引入的氢对SPC-制备的In2O3:H晶粒尺寸的增大和缺陷的减少起着重要的作用。该方法不需要任何额外的昂贵设备和/或改变传统的氧化物TFT制造工艺。这些用SPC生长的In2O3:HTFTs，在未来的透明或柔性电子应用中有很大的应用潜力。

　　In2O3和In2O3:H薄膜的结构性质。

　　In2O3和In2O3:H薄膜的电学和光学性质。

　　In2O3:H的特性。

　　In2O3:H的可靠性。

　　综上所述，研究者使用低温SPC工艺演示了高性能的多晶In2O3:HTFTs的制备。为了保证沉积In2O3:H薄膜的非晶态，在沉积In2O3:H过程中，溅射系统中加入适量的H2。通过低温SPC(温度在200℃以下)将沉积态的非晶In2O3:H薄膜转化为晶粒尺寸在140nm左右的多晶In2O3:H薄膜。结果表明，In2O3:H膜可获得104.0cm2V−1 s−1的高µH。在溅射过程中，其µH值比未引入H2的In2O3薄膜高5倍。此外，在300℃室温下退火后，SPC生长的In2O3:H薄膜的Ne显著降低到2.0×1017cm−3；该Ne值比未引入H2的In2O3薄膜低两个数量级。因此，在溅射过程中引入氢，然后在空气中退火是一种提高In2O3:H薄膜结晶度和Ne值的有效方法。用所制备的In2O3:H薄膜作为TFT的通道，得到的In2O3:HTFT表现出极高的µFE(139.2cm2V−1s−1)，适当的Vth为0.2V，较小的SS为0.19Vdec−1。TFT的HRTEM分析表明，在In2O3:H/SiO2栅极介电界面附近，立方双云母体具有较高的结晶性，这是TFT具有高µFE的原因。

　　该方法不需要任何额外的昂贵设备和/或改变传统的氧化物TFT制造工艺。此外，二元氧化铟薄膜的组成控制比三元和四元半导体薄膜更容易。这些用SPC生长的In2O3:HTFTs，在未来的透明或柔性电子应用中是有前途的候选者。