金属氧化物薄膜晶体管(MOTFT）具有较高的载流子迁移率(10~100 cm2/V·s), 且薄膜均匀性好、制备温度低和可见光透明的优点, 被认为是最有前途的新一代TFT。激光退火因具有能量高、速度快、对衬底损伤小和退火范围可控的特点, 相比传统热退火, 更适用于柔性和大尺寸背板的制备。本文综述了有关金属氧化物薄膜及MOTFT激光退火的研究进展; 详细讨论了激光退火中的关键参数; 系统阐述了激光对金属氧化物薄膜的作用以及激光对MOTFT性能的影响。最后, 总结了现在激光退火技术存在的问题以及发展方向。

采用旋涂法在玻璃基底上制备SnO2薄膜, 通过原子力显微镜(AFM)、X射线反射(XRR)、傅氏转换红外线光谱仪(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、紫外-可见分光光度计、四探针、开尔文探针系统对薄膜的表面形貌、结构及光学特性、电学特性进行分析, 探讨了退火温度对薄膜质量的影响及作用机制。研究发现: 随着退火温度升高, 薄膜厚度和有机成分杂质减小, 薄膜密度递增, 但薄膜表面粗糙度有所上升; 当退火温度升高至500 ℃时, 薄膜结构由非晶转变为结晶, 其主要晶面为氧化锡的(110)、(101)和(211)晶面。旋涂法制备的氧化锡薄膜在可见光区域的平均透光率在90%以上, 随着退火温度上升, 薄膜在400~800 nm波段的透光率先减小后增大, 薄膜的带隙宽度分别为3.840 eV(沉积态薄膜)、3.792 eV(100 ℃)、3.690 eV(300 ℃)和3.768 eV(500 ℃); 薄膜的电导率也随着退火温度升高而增加, 在500 ℃时电导率高达916 S/m; 薄膜的功函数先增大后减小, 分别为(4.61±0.005) eV(沉积态薄膜)、(4.64±0.005) eV(100 ℃)、(4.82±0.025) eV(300 ℃)、(4.78±0.065) eV(500 ℃)。

采用五水合氯化锡配制前驱体溶液,通过旋涂法在玻璃基底上制备了一种可见光平均透射率在90%以上的氧化锡透明薄膜。研究发现,对玻璃基底进行等离子预处理有助于改善氧化锡薄膜的表面质量。当等离子处理功率为25 W时,薄膜表面质量最佳。在低于500 ℃下,升高退火温度不仅可减少薄膜中的有机成分残留,而且可在不改变薄膜物相的情况下增大薄膜的光学带隙。退火温度为500 ℃时,薄膜开始发生由非晶到多晶的转变。

研究了柔性非晶硅掺杂氧化锡(SiSnO,STO)薄膜晶体管的电学特性及其在弯曲状态下的电学特性。通过射频磁控溅射在聚酰亚胺(Polyimide,PI)衬底上制备出了柔性非晶硅掺杂氧化锡薄膜晶体管。通过对比不同退火温度的器件性能, 发现在300 ℃能获得最佳器件性能, 其饱和迁移率达到2.71 cm2·V-1·s-1, 开关比高于106, 亚阈值摆幅为1.95 V·dec-1, 阈值电压为2.42 V。对器件在不同曲率半径(5, 10, 20, 30 mm)状态下进行输出特性和转移特性测试, 发现其在弯曲状态下仍具有良好的电学性能。

在室温环境下采用射频磁控溅射方法制备了氧化铝(Al2O3)薄膜, 通过调节溅射气压实现了对薄膜特性的优化控制。当溅射功率为120 W、Ar气压强为0.13 Pa时, 制备的Al2O3薄膜具有最好的厚度均匀性, 薄膜中Al和O的原子比为1∶1.67, 密度为3.21 g/cm3, 粗糙度为0.62 nm。这种平滑、致密的薄膜结构能够有效地减少缺陷的形成, 获得高击穿电压、高相对介电常数和低漏电等性能。利用优化后的Al2O3薄膜作为栅极绝缘层, 在聚酰亚胺树脂(PI)基板上室温制备了柔性非晶态铟镓锌氧化物-薄膜晶体管(α-IGZO-TFT), 其迁移率为2.19 cm2/(V·s), 开关比达到105, 亚阈值摆幅为0.366 V/decade, 阈值电压为3.01 V。

针对目前大多数氧化物薄膜晶体管都需要采用热退火工艺来提高其性能不利于其在柔性显示器件中应用这一问题, 提出了一种采用室温工艺制备的新型TFT器件, 无需退火处理即可获得较好的器件性能。该器件采用脉冲激光沉积技术制备的AZO/Al2O3叠层结构作为沟道层。与单层AZO-TFT器件相比, 叠层TFT器件具有更优异的性能, 其迁移率为2.27 cm2·V-1·s-1, 开关比为1.43×106。通过对AZO/Al2O3叠层薄膜的厚度、密度、粗糙度、物相、界面特性及能带结构等进行分析, 发现这种叠层结构能够使电子的运动被限制在AZO薄膜平面内, 即形成了二维电子传输, 从而提升TFT器件的性能。