采用水基溶液法制备铟镓锌氧化物薄膜晶体管(IGZO-TFT), 研究了在有无紫外光辅助退火条件下, 不同后退火温度(270, 300, 330, 360和400℃)对IGZO-TFT器件电学性能的影响。研究发现, IGZO-TFT在后退火温度为360℃时器件电学性能最佳, 从而证明了水基溶液法在小于400℃的低温下可以制备IGZO-TFT。同时, 研究表明, 在后退火温度为360℃时, 与无紫外光辅助退火IGZO-TFT相比, 经紫外光辅助退火IGZO-TFT的饱和迁移率从1.19cm2/Vs增加到1.62cm2/Vs, 正栅偏压偏移量从8.7V降低至4.6V, 负栅偏压偏移量从-9.7V降低至-4.4V, 从而证明了紫外光辅助退火对IGZO薄膜具有激活与钝化作用, 可以优化IGZO-TFT器件的电学性能。

研究了保护层对背沟道刻蚀型IGZO TFT性能及其稳定性的影响。结果显示，在正电压应力下TFT的阈值电压正向漂移。通过数据分析得知，保护层对水汽的阻挡能力直接影响到IGZO TFT的性能和稳定性。通过优化TFT的保护层，可以有效阻挡水汽渗透到背沟道表面形成缺陷态，提升IGZO TFT器件的稳定性。

随着薄膜晶体管(Thin-film transistor,TFT)在各类新兴电子产品中得到广泛应用, 作为各类电子设备的关键组件, 其工作电压和稳定性面临着巨大挑战。为了满足未来高度集成化、功能复杂的应用场合, 实现其低工作电压和高稳定性就变得异常重要。我们在150 mm×150 mm大面积玻璃基底上, 采用磁控溅射非晶铟镓锌氧化物(amorphous indium-gallium-zinc-oxide,a-IGZO)作为有源层, 以原子层沉积(ALD)Al2O3为栅绝缘层, 制备了底栅顶接触型a-IGZO TFT, 并研究了50,40,30,20 nm超薄Al2O3栅绝缘层对TFT器件的影响。其中, 20 nm超薄Al2O3栅绝缘层TFT具有最优综合性能: 1 V的低工作电压、接近0 V的阈值电压和仅为65.21 mV/dec的亚阈值摆幅, 还具有15.52 cm2/(V·s)的高载流子迁移率以及5.85×107的高开关比。同时, 器件还表现出优异的稳定性: 栅极±5 V偏压1 h阈值电压波动最小仅为0.09 V以及优良的150 mm×150 mm大面积分布均一性。实现了TFT器件的低工作电压和高稳定性。最后, 以该TFT器件为基础设计了共源极放大器, 得到14 dB的放大增益。

IGZO-TFT钝化层设计三元复合过孔结构, 出现了20%过孔相关不良。本文以CF4/O2为反应气体, 采用控制变量法, 从功率、气体成分和比例、压力等方面对氧化物TFT钝化层的电感耦合等离子体刻蚀机理进行研究。当钝化层为SiO2或SiNx单组分时, 氧气可以促进刻蚀反应; 随着CF4/O2比例增加, 刻蚀速率先增大后趋于稳定, 并且当CF4/O2=15/8时, 刻蚀速率和均一性达到最优; 与源功率相比, 提高偏压功率在提升刻蚀速率中起主导作用, 同时均一性控制在15%以内; 当压力在4 Pa以内时, 刻蚀速率随着压力的降低而增加。据此分析, 对复合结构SiNx/SiO2、SiO2/SiNx、SiNx/SiO2 /SiNx的刻蚀过程进行优化, 得到了形貌规整、无残留物的过孔, 过孔相关不良得到100%改善。

背沟道刻蚀型（BCE）非晶氧化铟镓锌薄膜晶体管(a-IGZO TFT)具有工艺简单、寄生电容小以及开口率高等优点，但BCE IGZO器件背沟道易受酸液和等离子体损伤，进而引起TFT均匀性和稳定性等方面问题，随着GOA技术的导入，对TFT器件电学性能的均匀性和稳定性提升的要求也日益迫切，因此开发高信赖性BCE IGZO TFT是技术和市场的迫切要求。本文主要分析了基于IGZO的背沟道刻蚀型薄膜晶体管电学性质，通过优化钝化层材料，色阻材料以及GOA TFT结构等削弱因背沟道水汽吸附引起的器件劣化，偏压温度应力测试结果显示优化后的TFT展现了良好的稳定性——在80 ℃，栅极30 V负向偏压条件下，2 000 s的ΔVth小于1 V。最终，利用优化的IGZO TFT制作了215.9 mm(85 in)8K4K 120 Hz液晶显示器。

论述了IGZO TFT技术的背景、技术优势和应用。详细介绍了IGZO TFT的结构, 性能和生产工艺, 并对IGZO TFT生产线存在的问题和发展趋势做出了展望。

采用脉冲直流磁控溅射的方式沉积In-Ga-Zn-O (IGZO)膜层作为TFT的有源层。在TFT沟道处的有源层和绝缘层的界面上,通过溅射法制作一定厚度的负电荷层对阈值电压(Vth)进行调制,使得Vth由-3.8 V升高至-0.3 V,器件由耗尽型向增强型转变。通过增加Al2O3作为负电荷层,可有效地将Vth控制在0 V附近,并且提高其器件稳定性,得到较好的电学特性: 电流开关比Ion/Ioff＞109,亚阈值摆幅SS为0.2 V/dec,阈值电压Vth为-0.3 V,迁移率μ为9.2 cm2 /(V·s)。

研究了在TFT制备过程中, 直流溅射和交流溅射生长铟镓锌氧薄膜对器件的转移特性和栅偏压应力特性的影响。交流溅射生长的IGZO制备的器件具有较低的阈值电压和较好的亚阈特性, 分别为0.937 V和0.34 V/dec; 而直流溅射得到的阈值电压和亚阈值摆幅则分别是: 1.78 V和0.50 V/dec。对于稳定性, 在30 V的栅极应力下, 直流溅射得到的器件的阈值电压漂移则相对小一些。本文通过分析直流和交流溅射的过程中薄膜的沉积情况, 阐述了上述现象产生的原因。

分析比较了ZnO TFT与IGZO TFT的主要光电学特性以及阈值电压稳定性。结果表明: ZnO薄膜与IGZO薄膜在可见光波长范围内都有着较高的光学透过率; 在同等制备条件下，IGZO TFT器件的场效应迁移率、开关电流比、阈值电压及亚阈值系数等方面的特性均明显好于ZnO TFT; 二者都有着较低的泄漏电流，并且差别很小。另外，ZnO TFT在正负偏压下阈值电压都有漂移，而IGZO TFT在正偏压下阈值电压漂移比ZnO TFT的小且在负偏压下阈值电压没有漂移，由此可见IGZO TFT比 ZnO TFT有着更好的稳定性。总之，IGZO 薄膜比ZnO薄膜更适合作为下一代TFT的有源层材料。