《Surfaces and Interfaces》：通過(guò)光子燒結(jié)輕松修復(fù)溶液處理的In-Ga-Zn-O薄膜晶體管中的界面缺陷（IF=6.256）

背景：

我們介紹了光子燒結(jié)作為一種通用且經(jīng)濟(jì)高效的界面處理方法，用于溶液處理的In-Ga-Zn-O薄膜晶體管，重點(diǎn)研究其提高操作穩(wěn)定性的潛力。我們制造了溶液處理的基于IGZO的薄膜晶體管(IGZO-TFT)，并系統(tǒng)地研究了IPL發(fā)射次數(shù)對(duì)決定器件電氣特性的關(guān)鍵參數(shù)的依賴關(guān)系。在相同的正偏壓應(yīng)力(PBS)條件下，我們將經(jīng)過(guò)約5分鐘IPL退火處理的IGZO-TFT的操作穩(wěn)定性與經(jīng)過(guò)2小時(shí)傳統(tǒng)高溫?zé)崽幚淼腎GZO-TFT進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)IPL退火的IGZO-TFT表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性，并且閾值電壓偏移顯著抑制了約22%（從3.31到2.58V）。為了獲得更深入的見(jiàn)解，我們采用了光激發(fā)電荷收集光譜分析，該分析提供了氧空位和氫相關(guān)界面缺陷狀態(tài)（位于2.1~2.5eV處，低于導(dǎo)帶最小值2.79eV附近）快速恢復(fù)的定量證據(jù)，影響了器件的運(yùn)行穩(wěn)定性。我們的研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了IPL退火相對(duì)于耗時(shí)的熱處理的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使其成為優(yōu)化IGZO-TFT性能的有前途的方法。

文獻(xiàn)介紹：

最近的顯示技術(shù)已朝著具有大面積、高分辨率、高幀率和高色純度的下一代超高清(UHD)顯示器的方向發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)此類(lèi)顯示器的穩(wěn)定運(yùn)行，顯示面板中的薄膜晶體管(TFT)的有源通道層需要具有大面積均勻性和高場(chǎng)效應(yīng)遷移率。長(zhǎng)期以來(lái)，非晶硅(a-Si)或多晶硅(poly-Si)一直被認(rèn)為是大面積TFT陣列有源通道層的合適候選材料。然而，由于非晶硅或多晶硅的固有特性，此類(lèi)材料在大面積顯示器上的商業(yè)應(yīng)用受到嚴(yán)重限制。例如，雖然a-Si很容易實(shí)現(xiàn)大面積均勻性，但由于定向sp3雜化軌道特性導(dǎo)致固有的懸空鍵和各向異性載流子傳輸路徑，a-Si基TFT的場(chǎng)效應(yīng)遷移率受到嚴(yán)重限制。另一方面，多晶硅（poly-Si）已被用作商用中小型高分辨率顯示器的TFT背板有源通道層，與非晶硅相比，其遷移率更佳。然而，盡管基于多晶硅的TFT具有良好的電氣性能，但由于多晶硅通道層晶粒尺寸不均勻?qū)е旅娣e均勻性較差，因此仍然難以應(yīng)用于大面積顯示技術(shù)。非晶氧化物半導(dǎo)體（AOS）是最有希望的通道材料候選材料之一，它可以同時(shí)滿足大面積均勻性和高場(chǎng)效應(yīng)遷移率的要求。由于AOS的導(dǎo)帶底由來(lái)自后過(guò)渡金屬陽(yáng)離子的大量分散的（n-1）d10ns0軌道（n≥4）組成，即使在有利于大面積均勻性的非晶相中，遷移率也可以足夠高，使其在TFT背板中成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，用于大面積和高分辨率顯示應(yīng)用。此外，AOS的寬帶隙增強(qiáng)了可見(jiàn)透明度并降低了關(guān)態(tài)電流，從而分別導(dǎo)致高孔徑比和低功耗。

到目前為止，大多數(shù)關(guān)于下一代TFT背板的研究都采用了真空沉積的AOS有源層。在這種情況下，通常需要超過(guò)300℃的高溫退火工藝，持續(xù)1小時(shí)以上才能形成合格的通道。這嚴(yán)重限制了這些器件在柔性和可卷曲顯示器上的應(yīng)用，因?yàn)樗鼈冃枰蜏刂圃旃に?。因此，為了解決這一問(wèn)題，人們開(kāi)展了多項(xiàng)關(guān)于氧化物TFT背板低溫溶液工藝的研究。盡管氧化物TFT的高場(chǎng)效應(yīng)遷移率和開(kāi)/關(guān)比等靜態(tài)性能已通過(guò)溶液工藝實(shí)現(xiàn)，但與真空工藝器件相比，其對(duì)于工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要的操作穩(wěn)定性仍然受到嚴(yán)重阻礙。特別是，由于溝道/介電界面陷阱態(tài)對(duì)于操作穩(wěn)定性至關(guān)重要，因此在溶液工藝氧化物TFT中強(qiáng)烈需要簡(jiǎn)便的界面處理工藝。最近，已有多項(xiàng)關(guān)于通過(guò)強(qiáng)脈沖光(IPL)工藝在低溫下快速退火器件的溶液基氧化物TFT的報(bào)道。雖然傳統(tǒng)的深紫外退火方法可以在150℃下對(duì)氧化物有源層進(jìn)行退火，但器件退火時(shí)間較長(zhǎng)（約2小時(shí)），并且該工藝必須在無(wú)氧、無(wú)濕氣的N2環(huán)境中進(jìn)行。相比之下，在IPL工藝中，最高工藝溫度達(dá)到約212℃（圖S1），略高于紫外處理。但是，該工藝時(shí)間較短，不到5分鐘，并且可以在環(huán)境空氣中進(jìn)行，而不需要N2環(huán)境。因此，可以說(shuō)該工藝更加簡(jiǎn)便且經(jīng)濟(jì)高效。然而，由于缺乏適當(dāng)?shù)姆椒ǎ苌儆腥搜芯科鋵?duì)器件穩(wěn)定性的影響，尤其是深入的界面缺陷分析。

我們報(bào)道了IPL處理對(duì)溝道和介電層之間的界面陷阱態(tài)密度（DOS）的影響，而界面陷阱態(tài)密度決定了溶液處理的In-Ga-Zn-O（IGZO）TFT的工作穩(wěn)定性。采用一系列IPL照射制備了溶液處理的IGZO-TFT，以探索它們對(duì)器件性能的影響。隨后，進(jìn)行了系統(tǒng)的研究以闡明IPL處理的關(guān)鍵工藝參數(shù)，這些參數(shù)顯著影響器件的電特性。通過(guò)比較經(jīng)IPL和傳統(tǒng)高溫?zé)嵬嘶鹛幚淼难趸颰FT中Vth相對(duì)于正偏壓應(yīng)力（PBS）時(shí)間的變化，IPL處理的器件表現(xiàn)出比熱處理器件更顯著的工作穩(wěn)定性。為了揭示IPL處理過(guò)的器件工作穩(wěn)定性顯著提高的背后原因，使用光激發(fā)電荷收集譜（PECCS）分析進(jìn)行了細(xì)致的檢查。這項(xiàng)分析旨在揭示IPL和熱退火工藝對(duì)柵極絕緣體/通道界面附近的狀態(tài)密度的復(fù)雜影響。通過(guò)探索狀態(tài)密度，我們深入了解了通過(guò)IPL處理實(shí)現(xiàn)卓越性能和穩(wěn)定性的機(jī)制。通過(guò)深入應(yīng)用PECCS分析，我們的調(diào)查發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人信服的發(fā)現(xiàn)：IPL工藝在不到5分鐘的極短時(shí)間內(nèi)被證明能夠非常有效地抑制界面氧/氫相關(guān)缺陷。相比之下，在經(jīng)過(guò)2小時(shí)的傳統(tǒng)熱退火工藝的器件中，缺陷仍然存在。這一結(jié)果強(qiáng)調(diào)了IPL處理在快速緩解這些關(guān)鍵缺陷方面的卓越效率，進(jìn)一步凸顯了其作為熱退火方法的省時(shí)、高效替代方案的潛力。

引用：https://doi.org/10.1016/j.surfin.2023.103751 

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