通过喷雾热解法制备的非晶态铪铝氧化物（Amorphous hafnium-aluminum oxide）和IGZO（Indium Gallium Zinc Oxide），用于低功耗薄膜晶体管电子设备

时间：2026年2月18日

来源：Applied Surface Science

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高铝氧化锆（HAO）薄膜通过喷雾热解法合成，作为非晶氧化铟镓锌（a-IGZO）晶体管（MO-TFT）的栅介质，展现出低泄漏电流（4.59×10⁻⁸ A/cm²）、高击穿电场（8.96 MV/cm）和优异的器件性能（线性迁移率20 cm²/V·s，亚阈值摆幅161 mV/dec，开关比3.8×10⁸），验证了其适用于低压大面积电子器件的可扩展性制造工艺。

萨米兰·罗伊（Samiran Roy）|朱厄尔·库默·萨哈（Jewel Kumer Saha）|金章（Jin Jang）

韩国首尔东大门区京熙大学信息显示系高级显示研究中心（ADRC），地址：Kyungheedae-ro 26号，邮编02447

摘要

高k值电介质作为SiO₂栅极绝缘体（GI）的替代品，受到了广泛关注，用于实现低电压和低功耗的金属氧化物薄膜晶体管（MO-TFT）。然而，传统的高k值GI存在漏电流大、界面缺陷以及介电常数有限的问题。本研究报道了利用喷雾热解（SP）技术合成高k值三氧化物（铪铝氧化物，HAO）薄膜，作为非晶InGaZnO（a-IGZO）TFT的栅极绝缘体。在400°C下沉积的30纳米HAO薄膜通过掠射X射线衍射（GI-XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）确认为非晶态。该HAO薄膜具有较高的质量密度（4.43 g cm^-3）、较低的漏电流密度（4.59 × 10^-8 A cm^-2 at 4 MV cm^-1）以及较高的击穿电场强度（8.96 MV cm^-1）。采用HAO作为栅极绝缘体的a-IGZO TFT表现出无迟滞的转移特性，线性迁移率为20 cm² V^-1s^-1，亚阈值摆幅为161 mV dec^-1，I_ON/I_OFF电流比为3.8 × 10⁸，栅极漏电流小于10^-13 A。这些器件展现了优异的偏压稳定性。此外，基于HAO/a-IGZO TFT的反相器电路在5 V电压下的电压增益高达53.7。因此，SP沉积的HAO栅极绝缘体为大规模电子应用中的低电压MO-TFT提供了一种可扩展且经济高效的技术方案。

引言

关于溶液法制备的金属氧化物薄膜晶体管（MO-TFT）的广泛研究证明了它们在多种应用中的适用性，包括主动矩阵有机发光二极管（AMOLED）、生物传感器、发光晶体管、显示背板、光电探测器、神经形态器件和柔性电子器件。[1]、[2]、[3]、[4]、[5] MO-TFT在商业应用中表现出高性能和良好的稳定性。然而，大多数商用TFT仍依赖SiO₂（k = 3.9）作为栅极绝缘体，由于其较低的介电常数，需要较高的工作电压（例如15 V）。由于超薄SiO₂中的漏电流增加，传统SiO₂/Si栅极结构的缩小已达到实际极限。[6]、[7]、[8] 因此，采用高k值氧化物作为栅极绝缘体的MO-TFT成为一种重要的发展策略。[9] 高k值栅极电介质能够在保持MO-TFT优异电学特性的同时降低栅极漏电流，并维持较低的等效氧化物厚度（EOT）。[10]

开发具有致密、光滑且无缺陷形态的非晶高k值电介质对于实现最佳的栅极绝缘体性能至关重要。在各种高k值材料中，二元氧化物如氧化锆（ZrO₂）、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、氧化铪（HfO₂）、[16]、[17]、[18]、氧化铝（Al₂O₃）、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、氧化镓（Ga₂O₃）、[26]、[27]、氧化钛（TiO₂）、[28]、氧化钇（Y₂O₃）、[29]、五氧化钽（Ta₂O₅）、[31]、氧化镧（La₂O₃）、五氧化铌（Nb₂O₅）和氧化镁（MgO）[34]在MO-TFT中具有集成潜力。然而，二元高k值氧化物存在一些挑战，如窄带隙和由于结晶性导致的表面粗糙度增加，从而引起漏电流增大和载流子迁移率降低。通过优化组成比例，三元氧化物为克服这些挑战提供了有前景的方法，从而实现更高的介电常数、更宽的带隙以及更低的栅极-活性界面漏电流。[35]、[36] 最近，多种三元电介质如铪铝氧化物（HfAlO）、[1]、[6]、[37]、铪镧氧化物（HfLaO）、[38]、锆铝氧化物（ZrAlO）、[35]、[39]、[40]、锆镧氧化物（ZrLaO）、[41]、[42]、铝氧化钇（AlYO）、[19]、钛铝氧化物（TiAlOx）、[43]、锆钛氧化物（ZrTiOx）、[44]、铪锆氧化物（HfZrOx）、[45]和镁锆氧化物（MgZrO₃）[36]已被用于MO-TFT的研究。

由于HfO₂具有较高的介电常数（k = 20–25）和适中的带隙（5.7 eV），因此被广泛研究用于MO-TFT。然而，HfO₂的热稳定性和界面稳定性较差，漏电流较大，且存在较高的迟滞现象。[6]、[47]、[48] 其较低的结晶温度限制了热预算，导致漏电流增加、电容-电压（C-V）特性非线性以及由晶界引起的横向不均匀性。相比之下，Al₂O₃具有较宽的带隙（8.8 eV）、优异的界面性能、较高的热稳定性和较低的缺陷密度，同时介电常数适中（k = 6–9）。[7]、[9]、[49]、[50] 因此，通过将HfO₂与Al₂O₃合金化制备的复合铪铝氧化物（HAO）薄膜结合了HfO₂的高介电常数和非晶态特性，适用于高性能MO-TFT的栅极绝缘体。铪（Hf）的金属-氧键强度（709 kJ mol^-1）高于铝（Al）（511 kJ mol^-1），增强了氧化物网络的稳定性；较小的Al原子（1.18 Å）填充在较大的Hf晶格（1.44 Å）的间隙位点中，减少了氧空位和陷阱态，从而提高了介电稳定性和器件性能。[48]、[51]、[52]

需要注意的是，大多数基于HAO的TFT是通过真空沉积技术（如原子层沉积（ALD）、等离子体增强原子层沉积（PEALD）和溅射）制造的，这些技术能够获得均匀且高质量的薄膜。然而，真空工艺成本较高，限制了其在低成本生产中的应用。[52]、[53]、[54] 相比之下，溶液法沉积方法具有成本较低、操作简单和可扩展等优点。[40]、[42]、[54] 另一方面，大气喷雾热解（SP）技术是一种经济高效、可扩展且多功能的技术，能够沉积致密、光滑且无咖啡环缺陷的薄膜。我们在400°C下使用SP方法制备了HAO和a-IGZO薄膜。[55]、[56]

在本研究中，我们系统地研究了通过SP方法合成的HAO栅极绝缘体，重点关注其结构和介电性能，并评估了其对a-IGZO TFT电学性能和长期可靠性的影响。为了提高薄膜质量，采用了缺陷去除策略，在沉积后连续进行了紫外臭氧（UV-O₃）处理和Ar/O₂等离子体处理。结果表明，HAO薄膜具有非晶态，质量密度为4.43 g cm^-3，漏电流为4.59 × 10^-8 A cm^-2 at 4 MV cm^-1，击穿电场强度为8.96 MV cm^-1。将HAO栅极绝缘体集成到a-IGZO TFT中后，获得了20 cm² V^-1s^-1的线性迁移率、24.19 cm² V^-1s^-1的饱和迁移率、161 mV dec^-1的亚阈值摆幅、3.8 × 10⁸的I_ON/I_OFF电流比，以及小于10^-13 A的栅极漏电流。正/负偏压温度应力（PBTS/NBTS）测试显示阈值电压（V_TH）变化分别为0.16 V和-0.30 V，180天的老化测试表明器件性能稳定。此外，基于HAO/a-IGZO TFT的反相器在5 V电压下的电压增益高达53.7。

章节摘录

前驱体溶液合成

为了制备HAO栅极绝缘体层，将0.1 M的HfO₂溶液（HfCl₄，纯度98%）和Al(C₅H₅O₂）₃（纯度99.99%）按1:1的比例溶解在60% N,N-二甲基甲酰胺（DMF，C₃H₇NO，纯度99.99%）和40% 甲醇（CH₃OH，纯度99.99%）的混合溶剂中。总共使用了25 mL的溶剂在玻璃瓶中制备HAO溶液。将所需的前驱体加入玻璃瓶中的溶剂混合物中

溶液合成与薄膜沉积

喷雾热解制备的薄膜的性能取决于前驱体化学成分和基底温度，以确保薄膜无咖啡环缺陷、均匀且致密。对于HAO前驱体溶液，将HfCl₄和Al(C₅H₅O₂）₃按1:1的摩尔比溶解在DMF（60%体积）和甲醇（40%体积）的混合溶剂中。选择DMF作为主要溶剂是因为它能有效溶解这两种物质，并且沸点较高（约153°C），室温下的粘度也较高（约0.8 mPa）

结论

本研究展示了HAO薄膜和非晶a-IGZO在TFT中的应用与表征。通过400°C下的大气喷雾热解工艺，制备出了具有优异表面质量的均匀非晶HAO薄膜，这一结果通过GI-XRD、SEM、AFM和TEM得到了验证。HAO薄膜具有较高的质量密度（4.43 g cm^-3）、较低的漏电流密度（4.59 × 10^-8 A cm^-2 at 4 MV cm^-1）、介电常数12.04以及8.96 MV cm^-1的击穿电场强度。XPS深度分析表明

CRediT作者贡献声明

萨米兰·罗伊（Samiran Roy）：撰写初稿、验证数据、进行实验研究、进行形式分析、数据整理及概念构思。朱厄尔·库默·萨哈（Jewel Kumer Saha）：验证数据、开发软件、确定实验方法、进行形式分析。金章（Jin Jang）：撰写修订稿、提供监督、管理项目、争取资金支持及进行概念构思。