随着平板显示技术、半导体集成电路的快速发展以及新兴电子产品的不断涌现，薄膜晶体管（TFTs）的应用领域也不断拓展。这对TFTs提出了新的要求，如低压驱动、高迁移率、低功耗等。相比于SiO₂，high-k材料具有更低的等效氧化层厚度(EOT)和更高的电容密度，可以有效降低TFTs的工作电压和关态电流。本课题组先前报道了采用不同方法将稀土元素Gd掺入HfO_x来制备HfGdO_x电介质薄膜。基于所制备的HfGdO_x电介质构筑的MOS器件表现出低C-V迟滞、低介电损耗、低频散等特性。然而，迄今为止，基于溅射沉积HfGdO_x栅介质的TFTs还没有被系统地研究。在本工作中，采用全溅射法沉积HfGdO_x栅介质与α-IGZO薄膜，并将沉积的薄膜集成到TFTs中。系统研究了溅射工艺参数对TFTs性能影响。研究发现，具有高介电常数的HfGdO_x虽然可以降低阈值电压，但其高漏电流和粗糙的表面严重损害了TFTs的性能。Al₂O₃薄膜具有致密的结构、光滑的表面和良好的稳定性，故而常被作为钝化层来优化界面、抑制漏流。在本研究中，Al₂O₃超薄膜钝化的HfGdO_x栅介质显示出良好的性能，如低界面态密度、低表面粗糙度和弱的界面散射效应。我们设计了一系列不同叠层结构的电介质，包括Al₂O₃/HfGdO_x、HfGdO_x/ Al₂O₃和Al₂O₃/HfGdO_x/ Al₂O₃，并系统地研究了它们的光学性能、表面形貌、化学键态和电学性能。将基于不同叠层结构栅介质的TFTs性能与基于单层Al₂O₃或单层HfGdO_x的TFTs性能进行比较。结果表明，基于Al₂O₃/HfGdO_x叠层电介质的α-IGZO TFTs在优化了Al₂O₃厚度后，获得了优异性能，如迁移率高达23.3 cm²V^-1S^-1，开/关电流比高达1.2×10⁷。在持续3600s的正偏压（PBS）和负偏压（NBS）条件下，阈值电压偏移分别为0.16 V和-0.24 V，呈现出良好的稳定性。最后，基于α-IGZO/Al₂O₃/HGO TFT组建了反相器，表现出良好的电压摆幅特性、稳定的动态响应行为以及约20的高电压增益。所有的实验结果表明，Al₂O₃/HfGdO_x层状栅介质在实现低成本、低功耗和大面积全氧化物光电器件方面具有广阔的潜力。
 

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