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稀土掺杂铟锌金属氧化物半导体薄膜制备及柔性器件应用

稀土掺杂,金属氧化物半导体,柔性器件

近年来金属氧化物TFT在显示、处理器、传感器、仿生逻辑器件等方面应用越来越广泛，例如2021年7月英国ARM公司宣布，在聚酰亚胺衬底上制备了32位柔性微处理器，这是柔性电子发展的里程碑事件，相关成果发表于nature期刊上。这表明氧化物半导体的应用潜力巨大，也对现有技术提出了新挑战：高迁移率(μsat >20 cm²V^-1S^-1)、大工作电流(Ion>10^-4A)和大开关比(I_on/off>108)等。但是目前的主流金属氧化物半导体IGZO-TFT很难满足这些需求，所以需要开发新的金属氧化物半导体材料及其相关的薄膜制备工艺，以满足高性能柔性和可穿戴电子器件的新需求。本文所采用的稀土元素掺杂的金属氧化物半导体材料的新设计思路：稀土元素(Nd、Pr等)与氧键合强有利于抑制氧空位，禁带宽度大有利于拓宽材料带隙，提高光热稳定性、同时Nd₂O₃和In₂O₃都属于立方铁锰矿结构且价态相同，晶格畸变较小，不会引入过量载流子，该体系是微量掺杂稀土，成本也较低。

本文采用稀土Nd掺杂InZnO材料体系作为TFF器件有源层，阳极氧化铝为底栅和绝缘层，铝为源漏电极。利用磁控溅射工艺，在聚酰亚胺PI衬底上成功制备了柔性薄膜晶体管。通过气氛退火和等离子后处理等工艺，减少了氧空位、氢杂质等缺陷态的产生，抑制了过量载流子，进一步提高了器件可靠性。本文器件综合性能如下：μsat=34.5cm²V^-1S^-1、Vth≈0V、SS=0.15V/dec、I_on=2.8×10^-4A、 I_on/off =3.21×10⁸，柔性弯折1万次后，器件性能下降幅度在10%以内。



图1 TFT器件转移特性曲线（左），输出特性曲线（右）