氧化锌薄膜晶体管应力稳定性及电性能优化

Optimization of Stress Stability and Electrical Properties of Zinc Oxide Thin-Film Transistor

摘要: 随着信息技术进步，显示技术正朝高分辨率、大柔韧性和低能耗发展。ZnO TFT因高透明度、良好环境稳定性和潜在高迁移率，被视为下一代显示技术关键材料，但应力稳定性问题限制了其应用。本研究针对ZnO TFT的应力稳定性与电学性能优化展开，旨在通过材料设计、制备工艺及表征技术揭示关键影响因素，并提出改善策略。同时，探索In掺杂对ZnO TFT电学性能的调控机制，以获得高性能TFT器件。这不仅有助于理解ZnO TFT物理机制，也为推动其在柔性显示等领域的应用提供理论支撑和实验依据。本研究综述了ZnO TFT的研究背景，阐述了TFT结构、机制及性能指标，采用磁控溅射、光刻图案化等技术制备了ZnO和InZnO TFT器件，并利用多种表征手段全面分析了薄膜及器件性能。重点研究了氧含量、钝化层及In掺杂量对稳定性和电学性能的影响，揭示了相关机制，并成功制备了高性能TFT器件。最后，总结了研究成果，展望了ZnO TFT的未来发展方向，为相关领域研究提供参考。

Abstract: With the progress of information technology, display technology is developing towards high resolution, great flexibility and low energy consumption. ZnO TFT Due to high transparency, good environmental stability and potentially high mobility, but stress stability problems limit its application. This study aims to optimize the stress stability and electrical performance of ZnO TFT, and aims to reveal the key influencing factors through material design, preparation process and characterization technology, and propose improvement strategies. Meanwhile, the regulation mechanism of ZnO TFT electrical performance was explored to obtain high-performance TFT devices. This is not only helpful to understand the physical mechanism of ZnO TFT, but also provides theoretical support and experimental basis for promoting its application in flexible display and other fields. In this study, we summarized the research background of ZnO TFT, expounded the structure, mechanism and performance indexes of TFT, prepared ZnO and InZnO TFT devices by magnetron sputtering and lithography, and comprehensively analyzed the performance of thin film and device by various characterization methods. The effects of oxygen content, passivation layer and in doping on the stability and electrical properties are mainly studied, and the relevant mechanisms are revealed, and the high-performance TFT devices were successfully prepared. Finally, the research results are summarized and the future development direction of ZnO TFT is discussed, providing reference for research in related fields.

1. 引言

随着信息技术的飞速发展，显示技术作为信息传输与交互的关键环节，其重要性日益凸显。薄膜晶体管(Thin Film Transistor, TFT)作为现代显示技术的核心组件，其性能直接决定了显示器件的分辨率、亮度、对比度及能耗等关键指标。在众多TFT材料中，氧化锌(ZnO)因其高迁移率、良好的透明性和低成本等优势，被视为下一代显示技术中极具潜力的沟道材料之一[1]。近年来，针对ZnO TFT的应力稳定性研究取得了显著进展，通过改进制备工艺，如采用原子层沉积(ALD)方法生长ZnO薄膜，并引入双层绝缘层结构，结合优化的退火条件，有效提高了器件的电学稳定性[2]。研究者们还通过系统研究退火次序、沟道宽度、栅偏压应力等因素对器件性能的影响，提出了多种提高ZnO TFT稳定性的方法，如三步退火法、原位臭氧退火技术等[3]。同时，通过掺杂控制、界面修饰等手段，进一步优化了ZnO TFT的电性能，实现了高迁移率、低滞回电压和良好的稳定性。这些研究成果不仅为ZnO TFT的实用化提供了有益借鉴，也为未来显示技术的发展奠定了坚实基础。

2. 基本理论概念界定

2.1. TFT基本结构解析

TFT(薄膜晶体管)的基本结构，作为现代电子技术的基石之一，其设计精妙且功能强大。这一结构的核心组件——栅极、绝缘层、有源层、源极和漏极，共同协作以实现电流的精确控制与传输。

2.2. 薄膜晶体管工作机制

薄膜晶体管(TFT)的工作机制深刻体现了场效应原理的精髓，这一原理是现代电子器件设计与应用中的核心理论之一。当TFT的栅极被施加一定电压时，一个独特的物理过程随即展开：在绝缘层与有源层之间的界面处，栅极电压诱导出电荷的重新分布，这些电荷并非直接来源于栅极，而是通过电场作用在有源层中感应生成的[4]。

2.3. 迁移率

迁移率，作为半导体材料性能的关键指标之一，深刻影响着TFT (薄膜晶体管)的工作表现。它直观地描述了载流子——无论是电子还是空穴——在电场力驱动下，在半导体材料内部迁移的速率。在TFT的运作过程中，迁移率的高低直接关联到其工作速度和效率，是评估TFT性能优劣的重要维度。

2.4. 开关比

开关比，作为TFT (薄膜晶体管)性能评估中的一项关键指标，其重要性不言而喻。它直观地反映了TFT在开关状态转换过程中的电流控制能力，是衡量TFT开关性能优劣的重要标尺。

2.5. 阈值电压

阈值电压，作为TFT (薄膜晶体管)性能评估中的一项核心指标，其重要性不容忽视。它定义了TFT从非导电状态转变为导电状态所需的最低栅极电压阈值，是TFT响应栅极电压变化、开启导电通道的关键门槛。

2.6. 偏压稳定性

偏压稳定性，作为TFT (薄膜晶体管)性能评估中不可或缺的一环，是衡量TFT在长时间工作条件下保持其关键性能参数稳定不变的重要标准。

2.7. 热稳定性

热稳定性，作为TFT (薄膜晶体管)性能评估中的一项重要指标，直接关系到其在高温环境下的工作可靠性和耐久性。

3. 氧化锌晶体管的制备与表征

3.1. 主要实验材料

在氧化锌(ZnO)薄膜晶体管的制备中，选择合适的实验材料至关重要。ZnO靶材作为溅射沉积的源材料，需具有高纯度(≥99.99%)和光滑表面，以确保薄膜的结晶质量和电学性能。为调控薄膜导电性和稳定性，可掺杂Al、Ga等元素。基底材料的选择包括玻璃、硅片及柔性衬底如聚酰亚胺等，分别适用于不同应用场景。制备过程中还需使用丙酮、乙醇、去离子水等化学试剂和氩气、氧气等气体，均需严格控制。此外，光刻胶、显影液、定影液及电子束蒸发用金属靶材等也是必需的实验材料，选用需基于具体工艺和目标性能优化。

3.2. 薄膜晶体管的基本结构

本项目拟采用底栅结构的TFT，由p型硅基片作为基底，栅极为100 nm的SiO₂栅绝缘层，采用磁控溅射法在AGZO活性层上涂覆40 nm厚的AGZO活性层，用电子束蒸镀装置气相淀积50 nm厚的A1叉指(叉指)，其长度和宽度为500 μm和10 μm。在图1中显示了该薄膜光敏三极管的结构。

3.3. 薄膜晶体管的制备技术

3.3.1. 磁控溅射技术

磁控溅射技术是一种先进的物理气相沉积工艺，以其简单流程、高质量薄膜、高均匀度、大面积沉积能力和良好的薄膜–衬底结合力等特点，在TFT制造中受到广泛关注。

Figure 1. Schematic diagram of the thin-film transistor structure

图1. 薄膜晶体管结构示意图

3.3.2. 光刻图案化技术

光刻图案化技术是将磁控溅射法制得的薄膜加工成薄膜电晶体的重要步骤。掩模法虽简便经济，但精度不足，不适用于高精度微型器件。光刻法则通过光刻胶和光刻板在膜上形成图形，包括涂胶、预烘、曝光、显影和刻蚀等步骤。

3.3.3. 电子束蒸发

电子束蒸发是一种先进的物理汽相淀积技术，对高精度、高性能薄膜材料的制备至关重要，广泛应用于导电薄膜、液晶显示技术及微型电子元件等领域。

3.4. 薄膜及器件的表征与分析方法

3.4.1. 原子力显微镜(AFM)

原子力显微镜(AFM)是一种基于隧道效应的前沿测量与分析技术，极大地扩展了我们对材料微观世界的认知。作为材料科学、纳米技术及表面科学领域的重要工具，AFM利用量子力学中的隧道效应原理，结合精密机械设计与电子学控制技术，实现非接触或轻接触式测量材料表面形貌及细微结构。其核心部件包括一对精细加工的柔性微悬臂，末端装有纳米级微型针头作为探针。

3.4.2. 扫描电子显微镜(SEM)

扫描电子显微镜(SEM)是一种高精度、高分辨率的电子显微技术，相比普通显微镜具有更好的三维立体性，非常适合观测和分析薄膜的表面形态，为科研提供了重要工具。

3.4.3. 紫外可见分光光度计(UV-Vis)

薄膜的光学性质是影响TFT器件的主要因素，它包括透射率、吸收率和反射率等，通过测量其透过率，可以判断出其吸收光谱的区域。在研究过程中，通常采用UV-Vis光谱仪对其光学性能进行检测和分析，量化其透光率、吸收率等，并经计算与拟合获得其光学带隙、吸收边界等光学参量。

3.4.4. X射线衍射仪(XRD)

X射线及其绕射现象是物理学的重要发现，X射线波长短，能覆盖0.06纳米至20纳米波段，具有强大穿透力，能揭示物质内部秘密，对医学成像、安全检查、材料科学、地质勘探等领域带来革命性变化。

3.4.5. 半导体参数测试仪

在此项研究中，采用了Keysight公司制造的B1S OOA半导体参量分析器和配套的探针平台。在此基础上，对所制得的TFT进行光学及电学性质的测量，重点研究其传输特性及输出特征，并根据拟合解析曲线求出TFT的有关性质。

4. 基于ZnO材料体系TFT的稳定性分析

4.1. ZnO体系的材料设计与稳定性的关系

ZnO作为一种常见的二元氧化物半导体，存在多种晶型，其中纤锌矿结构最为典型。ZnO单晶具有离子和共价结合的特性，其点阵系数特定[5]。研究ZnO晶体结构发现其禁带宽度较高，达到3.44 eV，理论计算得到的能带结构带隙宽度为3.41 eV，与实测结果相近。

尽管ZnO霍尔迁移率高达440 cm² V·s⁻¹，但ZnO TFT器件的载流子迁移率较低，这主要受限于常规TFT制造方法难以获得高品质的ZnO薄膜。ZnO的多晶型、界面缺陷多以及多晶体结构影响材料的均匀性，限制了其在AMOLED显示领域的应用。

InZnO是一种广泛使用的二元氧化物半导体，具有更大的晶体结构和较高的Eg值。理论分析表明，InZnO的电子等效质量比ZnO大，但InZnO TFT仍具有很高的可饱和迁移率。这主要归因于In层中5 s电子的重叠和球对称性[5]。然而，InZnO TFT存在关闭性能不佳的问题，同时电、光稳定性等方面还有待提升。

为了实现高迁移率和良好的开关性能，InZnO与ZnO相互掺杂制备IZO成为一种有效途径。IZO作为三元氧化物半导体，可以用作电极或薄膜晶体管的半导体。InO₂与ZnO因其晶体结构及氧原子分布的差异而相互掺杂，易于生成无定形，有助于改善器件的均匀性。这种方法为解决InZnO TFT存在的问题提供了新的思路。

综上所述，ZnO和InZnO作为二元氧化物半导体，在材料设计和稳定性方面具有重要意义。通过深入研究其晶体结构、能带结构以及掺杂改性等方法，可以进一步提升其性能，拓宽其在电子器件领域的应用范围。图2和图3分别展示了ZnO和InZnO的纤锌矿结构及对应的能带结构图，为相关研究提供了直观的参考。

Figure 2. (a) fiber zinc structure and (b) corresponding band structure of ZnO

图2. ZnO的(a)纤锌矿结构和(b)对应的能带结构图

4.2. ZnO薄膜晶体结构分析

图4是用RF磁控溅射法得到的具有各种溅射能量的氧化锌膜的X射线衍射曲线，由这些曲线可知，所得氧化锌膜均存在一个显著的衍射峰，绕射峰位在34度至35度，最大峰高达34.29度，此外无与衍射峰相一致的衍射峰，与ZnO单晶的衍射峰十分相近，表明用W元素替代了六角ZnO。我们前期研究

Figure 3. (a) fiber zinc structure and (b) corresponding band structure of InZnO

图3. InZnO的(a)纤锌矿结构和(b)对应的能带结构图

发现：衍射峰随离子浓度的升高而升高，衍射峰的峰值随之升高，半峰宽度也随之降低，2 W时出现了绕射峰值，说明其晶化程度有所提高，这是因为提高了溅射功率，使得溅射颗粒的能量逐步提高，从而使得在基片上形成了更强的扩散性能，更利于氧化锌膜的颗粒长大。但是，当溅射能量继续增加时，会有更多的颗粒在抵达基底时将会被后续到来的颗粒所掩盖，从而对原有的氧化锌膜造成损伤，从而导致晶体质量下降。从图4可以清楚地看到，在4瓦和5瓦的溅射功率下，该膜的绕射峰值强度减小。

Figure 4. The XRD diagram of the ZnO thin film at different sputtering powers

图4. 不同溅射功率下ZnO薄膜的XRD图

Table 1. Microstructural parameters of ZnO films at different sputtering powers

表1. 不同溅射功率下ZnO薄膜的微观结构参数

W溅射功率	1 W	2 W	3 W	4 W	5 W
半峰全宽(FWHM)	0.693	0.654	0.709	0.813	0.890
晶粒尺寸(nm)	12.1	12.9	11.9	10.3	9.4

表1为氧化锌膜在各种溅射能量条件下的晶半峰宽度及颗粒大小，由Jade分析计算。由表1可知，半峰全宽随溅射功率的升高而降低，而晶粒度则是先升高后降低，在2 W时获得了最大的颗粒直径(12.9 nm)和最小的半峰宽度(0.654˚)，表明该薄膜具有良好的晶体品质。

4.3. ZnO薄膜光学性能分析

图5所示为以各种溅射能量所制得之氧化锌膜之光透过谱。如该图所示，在400纳米至600纳米的可见光范围内，光学透射率大于90。溅射能量越高，膜层的透光率越低，膜层的透光率越低，膜层的透光率越低。另外，在近红外波段，由于粒子在膜面上的不均匀，以及在界面的反射作用导致的干扰作用，导致了膜的透光率逐渐降低并呈现起伏变化的趋势。

Figure 5. Optical transmittance curves of ZnO thin films at different doping powers

图5. 不同掺杂功率下的ZnO薄膜的光学透射率曲线

4.4. ZnO薄膜电学性能分析

通过对传输特征曲线进行总合计算获得的ZnO-TFT电性质参数，从表2可以看出，在不同的溅射能量下，器件的电流反转比及载流子迁移率均有明显的变化，均为先增加后降低的变化规律。当溅射功率提高至2 W时，ZnO-TFT的电流反转系数达到5.24 × 105，载流子输运速率提高，临界压降由28.03 V降至16.89 V，从而提高了器件的综合效率；同时，由于高溅射功率的提高，极易形成高能离子，在氧化锌薄膜中形成了一个浅受主电子态，引起了电荷转移速率的提高；同时，由于淀积速率加快，钨元素的浓度会削弱，同时也会有更多的缺陷，使得载流子的移动与扩散，从而影响了器件的载流子输运。

Table 2. W performance parameters of ZnO-TFT prepared with different sputtering powers

表2. W的不同溅射功率制备的ZnO-TFT性能参数

W溅射功率 W	阈值电压 Vth/V	开关比 Ion/Ioff	迁移率 cm^2/(V∙s)
1	28.03	1.03 × 105	0.041
2	16.89	5.24 × 105	0.157
3	24.70	1.61 × 104	0.011
4	24.12	2.26 × 104	0.00012
5	5.20	1.05 × 103

5. 氧化锌薄膜晶体管的电学性能优化

5.1. InZnO TFT器件制备

如无特别要求，请按以下程序制作：衬底清洁、栅极淀积、阳极氧化制栅极绝缘层、活性层淀积、源漏极淀积、钝化层淀积、退火。所述芯部活性层的制作过程为：所使用的活性层中，ZnO₃:IngO₃ = 5:95重量%，CdO:ZnO₃:IngO₃ = 1:5:94 wt.% (命名为CdInZnO-1)、CdO:ZnO₃:IngO₃ = 5:5:90 wt.% (命名为CdInZnO-5)、50 mm的直径、5 mm的厚度。该活性层的长宽为500 μm，长为300 μm，采用磁控溅射技术，采用磁控溅射技术，在常温下制备特定目标，获得氩流量9 Zncm (相应压力0.5 Pa)，溅射功率100 W，溅射活性层厚度25 nm。

5.2. In掺杂量对InZnO TFT器件的性能影响

在n型CdO半导体薄膜中，电子浓度以及薄膜的迁移率共同决定了其电导率，关系式如下[6]；

$\sigma =\text{une}$ (5-1)

在本征CdO中，自由电子的来源是Vo和间隙镉原子(Cd)。从能级上看，这两种缺陷都是浅施主能级，能够提供大量自由载流子，其浓度一般可以为1018~10 cm³。其表达式可以写成：

${\text{Zn}}_{\text{Zn}}^{\text{X}}+{\text{O}}_{\text{O}}^{\text{X}}\to {\text{Zn}}_{\text{Zn}}^{\text{X}}+{\text{V}}_{\text{O}}^{2+}+2\text{e}+\frac{1}{2}{\text{O}}_2$ (5-2)

$Z{\text{n}}_{\text{Zn}}^{\text{X}}+{\text{O}}_{\text{O}}^{\text{X}}\to Z{\text{n}}_{\text{i}}^{\text{2}+}+2\text{e}+\frac{1}{2}{\text{O}}_2$ (5-3)

Figure 6. InZnO TFT, CdInZnO-1 TFT and CdInZnO-5 TFT transfer curves

图6. InZnO TFT、CdInZnO-1 TFT和 CdInZnO-5 TFT转移曲线

从图6可以看出，由于Cd'^*(n-1)d10ns0 (h ≥ 5)的电子结构，在镉的掺杂下，打开状态电流呈现出“先增大后减小”的趋势。但当浓度增加时，Cd^*(0.95 A)比In^*(0.80 A)、Zn (0.75 A)更大，由此引起的晶格畸变严重，严重制约了其在器件中的应用。

5.3. InZnO TFT的器件稳定性研究

5.3.1. 偏压稳定性分析

TFT在连续导通和关断期间，必然要承受正、负栅极偏置等因素的影响，使其长期处于栅极偏置状态，因而其工作特性的一致性成为其稳定评价的重要指标[7]。在此基础上，通过在室温大气条件下对薄膜进行正、负偏电压(NBS)两种不同类型薄膜材料的电性质的稳定性进行研究。试验的偏置状态是：在G = D = 10 V的PBS的稳定性试验中，测量传递曲线的间隔900秒，加上开始的时候一共试验了5个传递曲线(总计工作时间3600秒)；NBS的稳定性试验采用G = −10 V，D = 0 V，以900秒为间隔测量传递曲线，加上初始值，一共试验了5条(总计3600秒)。

5.3.2. 热稳定性分析

图7为InZnO TFT、CdInZnO-1 TFT和CdInZnO-5 TFT器件在80℃的NBTS与PBTS条件下转移曲线随时间的变化。测试的条件设置为：PBTS条件下的稳定性测试中，Vc = 10 V，每隔900 s测一次转移曲线，包括起始数据共测试5条转移曲线(3600 s)；NBTS条件下的测试中，VG = −10V，V = 0 V，同样每隔900 s测一次转移曲线，包括起始数据共测试5条转移曲线(3600 s)，整个过程的测试温度保持在80℃，无光照。

Figure 7. P/NBTS stability test of each device at 80˚C with no illumination. And then they are InZnO TFT (a) PBTS and (b) NBTS stability; (c) PBTS and (d) NBTS stability of the CdInZnO-1 TFT; and (e) PBTS and (f) NBTS stability of the CdInZno-5 TFT

图7. 各器件在80℃下的P/NBTS稳定性测试，无光照。依次为InZnO TFT的(a) PBTS和(b) NBTS稳定性；CdInZnO-1 TFT的(c) PBTS和(d) NBTS稳定性；CdInZno-5 TFT的(e) PBTS和(f) NBTS稳定性

5.3.3. 光稳定性分析

在此基础上，对InZnO、CdInZnO-1和CdnZnO-5薄膜晶体管在不同温度下的稳定性能进行测定，并进行相同的试验，即室温和全光谱白光照射下(15 W/m²)，而PBIS下的稳定性试验(V = V = 10 V)，在白光照射(15 W/m²)下，每900秒测定一次传递曲线，算上开始，一共有5个(3600秒)；在NBIS的试验中，VC = −10 V，O = 0 V，在白光照射15 W/m²时，以900秒为间隔，测量5个传递曲线(3600秒)。

5.4. 高迁移率InZnO TFT的稳定性测试与评估

本项目拟采用300℃氧化还原法(500 s)进行500 s氧化锌薄膜晶体管(ZnO TFT)，并对其进行各种应力作用下的稳定性进行检测。测定了在NGBS，PGBS，NBTS和PBTS中，高迁移率氧化锌TFT转换性能的变化规律。在没有光条件下，在NGBS，PGBS维持40,000 s后，其临界电压下降至−0.05 V左右。在60℃下对NBTS，PBTS进行了抗拉强度试验，以验证其稳定性。与室温下进行的应力试验相比，该装置的稳定性有所下降，40,000秒后，其临界电压随时间的增加而降低，其下降幅度为−0.4 l V。虽然在 NBTS，PBTS条件下，器件的临界电压发生了微小的变化，但在12个小时以上的应激期足以证明器件具有良好的稳定性。

6. 结论

在ZnO薄膜晶体管的制备与表征方面，我们成功采用了磁控溅射、光刻图案化技术和电子束蒸发等先进的制备技术，制备出了具有优良性能的ZnO薄膜晶体管。通过原子力显微镜、扫描电子显微镜、紫外可见分光光度计、X射线衍射仪和半导体参数测试仪等多种表征与分析方法，我们对薄膜及器件的微观结构、光学性能和电学性能进行了系统的研究。

在ZnO体系的材料设计与稳定性的关系方面，我们发现通过合理的材料设计，可以显著提高ZnO薄膜晶体管的稳定性。同时，对ZnO薄膜的晶体结构和光学性能进行了详细分析，进一步揭示了其电学性能的内在机制。

在电性能优化方面，我们制备了InZnO TFT器件，并研究了In掺杂量对器件性能的影响。结果表明，适量的In掺杂可以显著提高TFT器件的迁移率和开关比，同时保持良好的偏压稳定性和热稳定性。此外，我们还对InZnO TFT的光稳定性进行了初步探索，为其在光电子领域的应用提供了可能。

致 谢

在本文的撰写与研究过程中，我衷心感谢所有给予我指导、支持与帮助的导师、同事、朋友及家人，特别是我的导师在研究方向上的悉心指引与宝贵建议，实验室同僚们的无私协助与合作，以及家人对我无条件的支持与鼓励，使得本研究能够顺利完成，并向在期刊投稿过程中给予我专业评审与宝贵意见的审稿人表示诚挚的谢意。