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。

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)。