[发明专利]一种同型异质结复合沟道TFT器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种同型异质结复合沟道TFT器件及其制备方法，所述TFT器件结构根据栅电极层所在位置不同，分为底栅结构TFT器件和顶栅结构TFT器件。本发明专利针对非晶IGZO材料及沟道界面处高密度氧空位相关缺陷态所造成的TFT器件电流携载能力下降与可靠性退化等关键问题，创新性地采用nN型a‑IGZO:N/ITO:N同型异质结沟道结构设计与氮掺杂的方法，以有效抑制缺陷的俘获效应，实现TFT器件高性能与高可靠性应用。

技术领域

本发明涉及一种同型异质结复合沟道TFT器件及其制备方法，尤其涉及一种nN型a-IGZO:N/ITO:N同型异质结复合沟道TFT器件结构及其制备方法，属于信息材料与器件技术领域。

背景技术

近年来，以新型透明非晶InGaZnO基薄膜晶体管(a-IGZO TFT)为代表的金属氧化物TFT制造技术因其具有高场效应电子迁移率(10cm²/Vs)、高光学透过率(E_g3.0eV)、低功耗及低成本等优点，在有源矩阵有机发光二极管显示(AM-OLED)、有源矩阵液晶显示(AM-LCD)及System-on-panel(SoP)技术上具有显著应用前景；同时，由于室温条件下制备的a-IGZO TFT仍然具有良好的器件性能，使得TFT器件能够与柔性衬底相兼容，进而在透明电子纸和透明显示技术上也具有一定的应用前景。尽管a-IGZO TFT具有优异的器件性能，但由于a-IGZO材料固有的非晶特性，在材料体系中分布着高密度的带尾态与亚带态，严重影响器件的电学性能与可靠性。研究表明，在a-IGZO材料带隙中存在的高密度亚带态主要由氧空位(V_o)相关缺陷诱导而成，并在价带顶～1.5eV能量范围内被电子完全占据。当器件在亚带光激发下，占据态的电子被激发到导带，使氧空位失去电子转变为一价氧空位离子(V_o⁺)二价氧空位离子(V_o²⁺)，在转变过程中引起邻近金属原子产生晶格弛豫，而在带隙中间和导带底产生新的氧空位相关缺陷态，进而导致a-IGZO TFT的电学性能及可靠性退化。此外，a-IGZO材料体系缺陷特性对TFT器件栅介质层与沟道层之间的界面特性影响也较为复杂。研究证实，在a-IGZO TFT界面处存在的高密度缺陷也主要起源于氧空位相关缺陷，当器件工作在栅压应力下，沟道中电子/空穴被界面处氧空位相关缺陷捕获而引起器件阈值电压漂移。综上所述，a-IGZO TFT器件可靠性的退化机制与a-IGZO材料体系及器件界面处的氧空位相关缺陷相关，因此，有效地抑制a-IGZO材料体系和器件界面处的氧空位相关缺陷产生，将会显著提高a-IGZOTFT器件可靠性。

目前，在a-IGZO沟道层中掺杂N来调控氧空位缺陷的方法被广泛研究，其调控机理是利用N的离子半径与O的离子半径接近，N原子容易替代晶格结构中的O原子，进而有效地抑制a-IGZO材料中氧空位缺陷的产生；同时，由于N 2p电子轨道与O 2p电子轨道的杂化效应能够使a-IGZO材料的价带重整，导致氧空位缺陷失效而降低价带顶～1.5eV的氧空位相关缺陷密度，进而将显著改善TFT在亚带光照射下的电学可靠性。但同时氧空位作为a-IGZO材料体系中的本征施主，是TFT器件沟道载流子的主要来源(即每个氧空位提供两个电子)。所以，N掺杂技术抑制了a-IGZO材料中的施主氧空位缺陷浓度，导致TFT器件沟道载流子浓度的降低，进而影响了a-IGZO TFT器件的电学性能。

由a-IGZO TFT器件延伸型指数函数模型可知，TFT器件电学可靠性受沟道层与界面处的平均有效势垒(E_τ)高度影响。在栅压应力下，TFT沟道中载流子需克服界面平均有效势垒被界面或者电介质层中的缺陷捕获。

ΔV_th＝ΔV_th0{1-exp[-(t/τ)^β]}，τ＝τ₀exp(E_τ/k_BT) (1)