InGaZnO靶材和薄膜的研究进展

Research Progress of InGaZnO Target and Thin Film

摘要: 对In-Ga-Zn-O (IGZO)材料推广应用过程中可能的技术阻碍进行了分析，包括IGZO的成分分析、IGZO靶材制备技术分析、IGZO-TFT (IGZO薄膜晶体管)稳定性分析等。通过调节IGZO中氧化物的成分比例，可以调节IGZO的光电性能；IGZO靶材的制备选取1400℃以上的烧结温度可以得到高密度，成分均匀的靶材；通过增加遮光层、保护层、采用双栅结构、设计补偿电路等措施，可以提高a-IGZO TFT的稳定性。

Abstract: The possible technical obstacles in the promotion and application of In-Ga-Zn-O (IGZO) materials were analyzed, including composition analysis of IGZO, technical analysis of IGZO target material preparation, stability analysis of IGZO-TFT, etc. The photoelectric performance of IGZO can be ad-justed by adjusting the proportion of oxide in IGZO. When using the sintering temperature of 1400˚C above, we can get IGZO target with high density and uniform composition; the stability of a-IGZO TFT can be improved by adding shading layer, protective layer, adopting double gate structure, designing compensation circuit and other measures.

1. 引言

大尺寸、高清、柔性、低能耗是未来显示器的发展趋势，但传统平面显示器中TFT沟道材料——非晶硅的性能已经不能很好地满足这些需求。非晶硅薄膜晶体管的主要问题是迁移率低，在1 cm²/V∙S以下，而当液晶显示器尺寸超过80英寸，驱动频率为120 Hz时需要1 cm²/V∙S以上的迁移率 [1] ；非晶硅的低迁移率，同样使其不能适用于AMOLED的驱动。低温多晶硅薄膜晶体管的迁移率很高，目前已广泛应用于手机和平板电脑等中小尺寸显示器，但是大面积制备时均匀性差，限制了其在大尺寸显示领域的应用。为此，适用于大尺寸、高清、柔性、低能耗液晶显示器的新型沟道材料的应用研究成为热点。其中，非晶In-Ga-Zn-O (IGZO)自2004年被日本学者首次报道出较低的制备温度以及优异的光电性能以来备受关注。

IGZO由In₂O₃、Ga₂O₃和ZnO相互掺杂得到，是一种透明金属氧化物半导体材料。IGZO为n型半导体材料，存在3.5 eV左右的带隙，电子迁移率比非晶硅高1~2个数量级，其最大特点是在非晶状态下依然具有较高的电子迁移率。由于没有晶界的影响，非晶结构材料比多晶材料有更好的均匀性，对于大面积制备有巨大的优势。正因为IGZO TFT具有高迁移率、非晶沟道结构、全透明和低温制备这四大优势，使得IGZO作为TFT沟道材料比多晶硅和非晶硅更符合显示器大尺寸化、高清、柔性和低能耗的未来发展趋势。

IGZO薄膜的应用，首先要明确其最佳成分配比，然后根据所需的成分配比制备出相应成分的高质量溅射靶材，并研究其成薄工艺。本文分别从以上几个方面作了研究和探讨，并归纳了IGZO薄膜应用进程中存在的问题和相应的可能解决方案。

2. IGZO的成分配比

多元金属氧化物半导体材料具有光电性能可调节的优点。IGZO材料要推广应用，首先要确定其最优化的成分比例。根据研究 [2] ，IGZO中的三种金属氧化物都有其独特的作用，In₂O₃中的铟离子贡献出高的电子迁移率；Ga₂O₃中的镓离子因为容易与氧离子结合，从而可以减小IGZO中氧空位的产生，进而降低IGZO的载流子浓度；同时ZnO的加入，对形成非晶结构薄膜起到重要作用。李远洁等 [3] 研究发现，IGZO薄膜的化学元素组成决定了其晶体结构，与镀膜工艺无关。图1显示了IGZO薄膜成分与其结构和迁移率的关系 [4] 。

IGZO作为TFT的沟道材料，要求具有以下性能：1) 高迁移率；2) 低载流子浓度；3) 较高的透光率。如何从材料配方上获得这些性能？

Figure 1. The relationship between IGZO film composition and its structure and mobility [4]

图1. IGZO薄膜成分与其结构和迁移率的关系 [4]

根据前述，增加铟含量，可以提高迁移率；Hideo H. [5] 等人报道，降低镓的含量，也可以起到提高迁移率的作用。苏雪琼等人 [6] 将IGZO中氧化铟的含量增加到80%时，得到电子迁移率25.3 cm²/V∙S的非晶薄膜。但铟含量并不是越高越好，从图1可以看到，氧化铟含量超过88%时，IGZO材料为多晶结构；Leenheer A. J.等人 [7] 也报导了，氧化铟含量为90%，氧化镓含量为0时的IZO材料为多晶结构。

沟道材料载流子浓度低，可以降低TFT的关态电流，从而提高开关电流比。根据前述，增加氧化镓的含量，可以降低IGZO的载流子浓度。但增加镓的含量，又会降低迁移率，所以这之间需要一个平衡来实现性能最优化。沟道材料具有较高的可见光透过率，有利于制备透过率极高的显示器。Suresh等 [8] 研究表明，在IGZO中，锌原子占比不超过71.4%时，IGZO薄膜具有较好的可见光透过率。有研究表明 [8] [9] [10] ，IGZO中，三种金属元素按1:1:1的原子比组成(即为InGaZnO₄)，具有较高的电子迁移率和开关电流比，是制备半导体薄膜晶体管的理想配比。

3. IGZO靶材的制备及其物相分析

a-IGZO薄膜可以采用涂布、激光沉积、磁控溅射等方法制得；其中磁控溅射法镀膜因具有易于控制，镀膜面积大和附着力强等优点而广泛应用于镀膜玻璃生产和显示屏生产工艺中，如ITO膜、Mo膜、Al膜等均采用了磁控溅射的方法。选用磁控溅射作为a-IGZO薄膜的镀膜方法，对现有的溅射镀膜设备进行适度的改造即可，具有较强的适应性。

采用磁控溅射制备a-IGZO薄膜，需要用到IGZO靶材。IGZO靶材的品质好坏直接影响到a-IGZO薄膜的光电性能。IGZO靶材的制备工艺可以类比于氧化铟锡(ITO)靶材，主要流程均是粉体制备、成型、烧结。一般能用于生产氧化物半导体粉末的方法，均可用于制备IGZO粉末，如溶胶-凝胶法、微乳液法、化学沉淀法、水解法、固相反应法、水热法、喷雾燃烧法等。其中固相反应烧结被较多研究者采用。有研究者利用第一性原理对固相反应烧结制备IGZO粉的过程进行了研究，发现优先生成的产物是ZnGa₂O₄，然后继续加热，最终转变为InGaZnO₄ [11] 。孟璇等 [12] 将In₂O₃、Ga₂O₃和ZnO按1:1:2的摩尔配比进行混合、研磨并采用固相烧结反应法制备IGZO粉末，结果表明：烧结温度为1100℃时，所得粉末以ZnGa₂O₄相为主，仍有In₂O₃未发生反应；在1200℃和1300℃烧结，均可得到InGaZnO₄单相粉末。其结果与第一性原理的分析一致。Lo C. C. [13] 等采用In₂O₃、Ga₂O₃和ZnO摩尔比例为1:1:2的粉体，通过常压烧结的方法，在1300℃烧结6小时，获得InGaZnO₄单相靶材，相对密度93%。苏文俊等 [14] 将具有InGaZnO₄单相结构的粉末，采用放电等离子烧结的方法制备了IGZO靶材，烧结温度1100℃时，烧结体结构性能较好，相对密度97.44%，体积电阻率3.66 mΩ/cm³。

陈江博等 [9] 用固相反应法制备了富锌含量的IGZO粉末，In₂O₃、Ga₂O₃和ZnO摩尔比例为1:1:8经检测，该粉末是含有InGaZn₄O₇与InGaZn₅O₈物相的IGZO混合物。周贤界等 [15] 减少氧化锌的含量，用In₂O₃、Ga₂O₃和ZnO摩尔比例为1:1:1的粉体，在1400℃~1450℃的温度下烧结，获得相对密度高于99.5%的IGZO靶材。总体而言，要得到高密度，成分均匀的IGZO靶材，最高烧结温度宜控制在1400℃以上。

Table 1. Influence of sputtering process on film properties

表1. 溅射工艺对薄膜性能的影响

4. IGZO薄膜的应用研究

4.1. 镀膜工艺参数和热处理对其光电性能的影响

a-IGZO沟道层的光电性能、表面粗糙度、均匀性是a-IGZO-TFT器件性能的重要影响因素。而a-IGZO薄膜制备过程中的工艺参数(溅射功率、压强、气体流量、沉积厚度等)和热处理工艺对其性能有很大影响。镀膜工艺对薄膜性能的影响如表1所示。

热处理同样对薄膜性能有较大影响，其工艺参数主要是温度和气氛。通过调节和选择热处理的温度和气氛，可以影响到薄膜中的氧缺陷，从而影响薄膜的光电性能，如采用空气、氧气、氮气退火 [22] 、真空退火 [23] 、含有一定浓度氢气的合成气体退火 [23] 、高压氢气退火 [24] 、水蒸气高压辅助退火 [25] 等。除此之外，通过热处理，还可以减小薄膜的表面粗糙度 [24] ，但真空热处理后的表面粗糙度要比空气处理的大 [26] 。大多数的热处理温度条件选择在200~600度之间，但该温度段并不适合用来处理用于柔性屏的IGZO-TFT。ALFORD T. L.等 [27] 对低温溅射的IGZO薄膜，在150度，采用先氧气氛热处理，再真空热处理的方法，获得了较好的综合光电性能，适合对柔性屏的TFT进行热处理。

4.2. a-IGZO TFT的稳定性

a-IGZO TFT的稳定性问题是阻碍其产业化进程的主要因素之一。

采用非晶IGZO作为沟道层材料制备的薄膜晶体管的电特性在可见光的照射下有良好的稳定性，但是在波长小于420 nm的紫外光区会有较大变化 [28] [29] 。Chen T. C. [30] 等也报导了长期光照和电应力作用下，IGZO薄膜晶体管显示屏，出现电特性不稳定的现象。电特性不稳定性主要表现在栅偏压下的阈值电压漂移，亚阈值摆幅漂移等，其中阈值电压的漂移最为明显，它直接影响显示屏亮度的均匀性。a-IGZO TFT的光照不稳定性，可能是由于IGZO层的缺陷态电子受到光的激发而到导带，从而导致器件泄漏电流的增加 [31] 。

除了光照及电应力会影响a-IGZO TFT的稳定性外，其对空气中的氧气和水蒸气也较为敏感，长时间处于潮湿空气中会使其性能发生明显下降。同时，IGZO背沟道表面在薄膜制备过程或者环境中容易受到破坏，也是其稳定性不高的原因之一。IGZO TFT电学特性在氢氧环境中也会发生衰退 [32] 。

薄膜中及界面的各种缺陷态是IGZO TFT不稳定性的主要来源，所以减少缺陷是改善IGZO TFT稳定性的有效途径。例如，在薄膜沉积过程中，增加氧气流量，选择合适的氧氩比，以平衡阀值电压不稳和其它电性能 [33] ；减小薄膜表面粗糙度，并提高薄膜的致密性，从而减少薄膜界面陷阱密度，可以达到提高稳定性的效果 [34] 。在IGZO半导体层上方设置保护层，可以保护IGZO半导体层在后续的成膜，刻蚀等工艺中不被破坏 [35] ，也是提高其稳定性的有效途径之一。增加遮光层以减少光照对IGZO层的影响，是减少IGZO-TFT的泄漏电流的主要方法 [36] 。通过改变遮光金属栅的电压，能对IGZO-TFT的阈值电压进行调节 [37] ，从而补偿AMOLED像素电路的阈值电压漂移，但这种方法会导致TFT的面积增加，所以不宜用于高分辨率像素电路的集成 [38] 。除此之外，通过对结构的设计和优化，也能提高IGZO-TFT的稳定性。研究表明 [21] ，双栅驱动的a-IGZO TFTs具有比单栅结构更高的开关电流比，更低的亚阈值摆幅以及更强的器件稳定性。蔡旻熹等 [39] 通过仿真分析了双栅驱动的a-IGZO TFTs的开启电流随有源层厚度降低而显著增加的效应，发现在双栅驱动的器件中低的有源层厚度可以改善器件的电学稳定性。张丽等 [40] 研究了基于a-IGZO TFT的有源矩阵有机发光显示AMOLED像素电路的阈值电压补偿问题，证明了4TIC电路对阈值漂移有明显的补偿作用，并指出增加存储电容值和驱动TFT的宽长比可有效提高OLED电流的保持能力。

5. 结语

通过对IGZO成分的调节，可以获得适合应用的光电性能；通过制备高品质的IGZO靶材，可以提高IGZO薄膜的品质；通过调节退火温度、时间、气氛和磁控溅射镀膜的工艺参数，可以有效提高a-IGZO TFT的光电性能；通过增加遮光层、保护层、采用双栅结构、设计补偿电路等措施，可以提高a-IGZO TFT的稳定性。相信随着对a-IGZO薄膜和a-IGZO TFT不断深入的研究，IGZO的大范围应用将很快到来。

基金项目

国家自然科学基金资助项目(11464003,11864005)，广西自然科学基金项目(2017GXNSFAA198315)，柳州市科技计划项目(2016B040202)，广西高校中青年教师基础能力提升项目(2018KY0324)资助的课题。

参考文献

NOTES

*通讯作者