我院阿布来提·阿布力孜教授团队联合武汉科技大学万达副教授、湖南大学刘兴强教授在金属氧化物InHfZnO薄膜晶体管研究方面取得重要进展。研究成果以“Enhancing the electrical performance and stability of Hf-doped InZnO thin film transistors using dual-target co-sputtering technique”为题，发表于国际应用物理领域顶级期刊《Applied Physics Letters》（影响因子3.6），新疆大学物理科学与技术学院为第一完成单位，学院2023级硕士研究生马小成为论文第一作者，第一通讯作者为阿布来提·阿布力孜教授。 |
| 研究背景/选题意义/研究价值： |
近年来，包括氧化铟锌氧化物(IZO)和氧化铟锌锡氧化物(IZTO)在内的金属氧化物半导体材料已被用作薄膜晶体管的重要沟道材料。多组分金属氧化物半导体和锌阳离子基质由于其固有的高迁移率和非晶态结构导致的大面积均匀等优点，有望成为氧化物TFT的候选材料。控制氧化物半导体沟道中的原子比是实现高性能和高稳定氧化物TFT的关键因素。需要获得特殊比例的金属原子来制备具有最佳电性能和稳定性的器件；但单靶磁控溅射的元素组成是固定的。为了控制氧化物薄膜器件的性能，必须确定各种靶材的原子比。然而，这增加了单靶磁控溅射的制造成本。因此，共溅射工艺允许方便地控制使用目标材料的掺杂量，从而获得最理想的原子比。此外，与传统的单靶溅射方法相比，共溅射技术成本低，可以更简单地控制元素的掺杂比例和氧空位浓度，从而提高了TFT的迁移率和稳定性。由于Hf的氧亲和力明显强于In和Zn，其独特的性质已成为制备薄膜的首选材料。共溅射工艺可在更低成本和更高效率下实现更高水平的Hf掺杂，进而获得更优异的电性能。因此，Hf掺杂InZnO TFT 将在氧化物薄膜电子器件和平板显示器件领域中具有重要的应用前景。 |
| 主要研究内容： |
图1.薄膜晶体管器件结构、电学特性测试曲线与XRD、XPS表征分析图 此项工作探究了不同方法制备HfInZnO TFT并表征不同Hf掺杂含量对于HfInZnO TFT的电学性能影响及噪声测试分析(图1)。当InZnO靶材为40 W及HfO2靶材为50 W时器件有着良好的器件性能。采用双靶共溅射工艺制备了高性能的HfInZnO薄膜晶体管。通过性能比较和表征，发现共溅射制备的HfInZnO (IZO=70 W+HfO2=50 W) TFT在栅偏压和光应力测试中表现出比HfInZnO (70 W)更好的性能和稳定性，表现出较高的载流子迁移率μFE值26.1 cm2/Vs，合理的VTH值0.7 V。XPS能带结构分析结果表明，Hf的掺杂有效地调控Ne，提高迁移率。低频噪声LFN分析结果表明，适当浓度的Hf掺杂可以降低器件的氧空位缺陷VO和界面平均缺陷态密度Nit，进一步验证了Hf掺杂可以提高HfInZnO TFTs的性能和稳定性。这主要是由于Hf-O (802 kJ/mo1)的键能大于In-O (346 kJ/mo1)和Zn-O (250 kJ/mo1)的键能，使其断裂，从而抑制了过量VO的形成。这也是由于Hf(1.3)和O(3.44)的电负性差异，由于Hf的标准电极电位(1.70V)较低，Hf(1.3)和O(3.44)的电负性大于In(1.78)、Zn(1.65)和0.30的电负性，所以Hf离子对氧离子具有较强的吸引力。良好的金属掺杂原子比有助于改善器件的电学性能和薄膜的界面缺陷态密度，双靶材共溅射有着更好的金属原子掺杂比。因此，共溅射制备的HfInZnO TFT相比于单一靶材制备的器件有着更好的器件性能和稳定性。 |
| 主要创新点： |
1、通过双靶材共溅射调控Hf掺杂含量，实现对 HfInZnO 薄膜载流子浓度的调控，改善器件界面缺陷，获得更好特性的器件。 2、系统研究了通过共溅射方法掺杂的HfInZnO TFT 以及低频噪声测试分析，揭示双靶材溅射Hf 掺杂对陷阱态密度的影响物理机制。 |
| 受项目资助信息： |
本研究得到了科技部重点重大研究计划项目子课题（Grant No. 2022YFE0141500）和新疆维吾尔自治区“天山英才”培养计划项目（Grant No. 2022TSYCCX0018）的资助 |
| 论文链接： |
https://doi.org/10.1063/5.0289388 |
