加点PVA,纯铟镓氧化物的电子迁移率可提高70倍

非晶态金属氧化物(MO)半导体由于具有宽的带隙和高的电子迁移率,成为下一代透明柔性电子器件的重要候选材料。在这些材料中,铟镓氧化锌(IGZO)是热门材料之一,流动性为10-100 cm2/Vs,在晶相和非晶相中都能稳定工作。Ga比In具有更大的氧结合焓,调整Ga浓度可以控制和稳定IGZO中的载流子浓度,制造的溅射IGZO器件(In:Ga:Zn1:1:1)用于优化薄膜晶体管(TFT)开关,但会极大的降低In2O3矩阵的电子迁移率。目前,300℃以下的溶液处理/退火方法代替了物理气相沉积制备MO电子产品,降低生产成本,实现大规模生产。然而,这种IGZO-TFT只有在Ga含量低时(<10%)才能实现2-6cm2/Vs的迁移率。当Ga含量增高时,会抑制氧空位和增加陷阱密度,并且在300°C的温度下,降低流动性(<1 cm2/Vs)。因此,在溶液处理技术上实现高性能、高Ga含量的IGZO-TFT具有很大挑战性。

近日,西北大学Michael J. Bedzyk教授团队通过将聚乙烯醇(PVA)添加到前驱体液,显著提高了水溶液处理氧化铟镓(IGO)薄膜晶体管(TFTs)的场效应电子迁移率,达到7.9 cm2 / Vs,提高了近70倍(接近于溅射IGZO-TFT的水平)。研究发现, PVA引入后,IGO的Ga从6配位转换成4配位,增多了H掺杂。因此,抑制了深阱缺陷定位局部化,减少金属氧化物多面体畸变,导致IGO的电子迁移率得以提高。这种羟基聚合物掺杂的绿色溶剂加工方法为制备高性能,超稳定的IGO半导体电子产品提供了有效参考。相关工作以“Experimental and theoretical evidence for hydrogen doping in polymer solution-processed indium gallium oxide”发表在《PNAS》上。

《PNAS》:加点PVA,纯铟镓氧化物的电子迁移率可提高70倍

IGO:PVA TFT性能表征

在IGO:PVA TFT中,随着PVA含量0-8 wt%的增加,ION逐渐升高(VON降低)至1.25±0.10×10-3 A(-6.2±2.1 V)。当PVA含量为8wt%时,ION增强超过1,000倍,电子迁移率最大,为6.43±0.73 cm2 / Vs。 将PVA进一步添加至14wt%时,IONVON升高)压低到4.81±0.31×10-5 A(+38.1±5.2 V),电子迁移率下降(1.25±0.66 cm2 / Vs),但仍高于纯IGO(0.10±0.04 cm2 / Vs)。对于所有器件,IOFF仍然保持在10-10 A的范围内,显示出相对较低的载流子浓度,适用于低功耗TFT。

《PNAS》:加点PVA,纯铟镓氧化物的电子迁移率可提高70倍

图1  IGO:PVA膜的结构表征

《PNAS》:加点PVA,纯铟镓氧化物的电子迁移率可提高70倍

图2 不同PVA含量的IGO:PVA薄膜的表征

IGO:PVA TFT结构表征

作者利用X射线反射法(XRR)测量发现,IGO:PVA TFT的平均电子密度和膜厚从1.42 e /Å3和10.2 nm(0 wt%PVA)逐渐下降到1.30 e /Å3和8.8 nm(14 wt%PVA)。扩展x射线吸收精细结构(EXAFS)测试发现,In K边缘和Ga K边缘随PVA含量的增加几乎没有明显的吸收轮廓变化。PVA含量没有明显变化时,In-O和Ga-O的配位数分别保持在4.91-5.22和3.55-3.69 Å的狭窄配位范围,表明大多数Ga离子占据四面体位点。共振软X射线散射(R-SoXS)测试发现,纯的IGO膜和的IGO:PVA膜(8wt%PVA)在非共振和近共振能量下,均在30至40 nm处出现一个峰,面内形态几乎没有差异,表明PVA在退火过程中会热降解,不会在所导致IGO发生相分离,有利于电子传输。

《PNAS》:加点PVA,纯铟镓氧化物的电子迁移率可提高70倍

图3 纯IGO膜和IGO:PVA膜的结构表征

PVA增强IGO电子迁移率机理

当PVA引入IGO时,促进低配位Ga有效地增加了低配位O含量,使得Ga从6配位很容易转换成4配位,保留M–O–M网络,而IZO中Zn始终保持4个配位。此外,Zn总是与相邻多面体呈角共享,而Ga倾向于边共享,这可能有助于抑制空洞的形成和保持晶格密度,吸引H掺杂。H的存在降低了所有相邻多面体的局部畸变,提供更均匀的传导电荷密度,增加了自由载流子输运,也抑制了深电子陷阱的局部化,从而提高了MO的电子迁移率。

《PNAS》:加点PVA,纯铟镓氧化物的电子迁移率可提高70倍

图 4 IGO的H掺杂

《PNAS》:加点PVA,纯铟镓氧化物的电子迁移率可提高70倍

图 5 MO系统

小结:通过引入PVA的方式,实现低温溶液工艺制备半导体IGO:PVA薄膜(In:Ga = 6:4,原子比)的方法,抑制了局域陷阱的形成,减少了金属配位多面体的畸变,将纯IGO(0.10 cm2/Vs)的 流动性提高到7 cm2/Vs (IGO:PVA膜),提供了更高的电子迁移率。这种方法克服了溶液处理MO膜中Ga含量低的问题,适用于广泛的氧化物电子技术。

全文链接:

https://www.pnas.org/content/117/31/18231

相关文章

微信