通过采用堆叠式半导体/绝缘体多通道结构，实现了性能提升的全氧化物薄膜晶体管

《Thin Solid Films》：All-oxide thin-film transistors with enhanced performance via implementation of stacked semiconductor/insulator multi-channel structures

本研究采用原子层沉积（ALD）超循环生长法制备了Hf掺杂In?O?/HfO?多通道薄膜晶体管（TFT），通过优化异质结构带隙和电子亲和差异形成准二维电子气（quasi-2DEG），显著提升场效应迁移率（2.4倍）和开关比（10^7），亚阈值摆幅低至0.18 V/dec，并实现低于180℃的低温全ALD工艺，为后端集成电路（BEOL）集成提供了可行方案。

　　随着显示技术的快速发展，对高性能薄膜晶体管（TFTs）的需求也日益增加，尤其是在像素开关和驱动模块方面。TFTs在现代显示技术中扮演着至关重要的角色，其性能直接决定了显示设备的响应速度、分辨率和整体表现。近年来，氧化物半导体TFTs因其高迁移率、高光透射率以及良好的大面积加工能力而受到广泛关注。这些特性使得氧化物TFTs成为一种极具潜力的材料，尤其适用于柔性显示和高分辨率面板等新兴应用领域。

在众多氧化物半导体材料中，InGaZnO（IGZO）因其出色的电性能和稳定的化学特性而成为研究热点。然而，尽管IGZO在许多方面表现优异，但在某些应用场景下仍存在局限性，例如其在高温下的稳定性问题，以及在大面积沉积时可能出现的均匀性挑战。因此，研究者们开始探索新的结构设计，以进一步提升氧化物TFTs的性能。其中，多通道结构成为一种备受关注的方向，通过在TFTs中引入多个导电层，可以有效提高电流驱动能力和电导率，同时降低关态电流。

多通道TFTs的实现通常依赖于异质结构的设计，即通过不同材料的界面形成二维电子气（2DEG）。这种结构可以显著增强载流子的横向迁移能力，从而提升TFTs的整体性能。例如，ZnO/Al?O?异质结构已被证明能够形成有效的2DEG，进而显著提高场效应迁移率（μ_FE）。在这一结构中，ZnO作为导电层，而Al?O?则作为绝缘层，两者的能带结构差异和电子亲和力差异共同作用，使得界面处形成稳定的2DEG。这种设计不仅提高了TFTs的电性能，还为后续的集成应用提供了便利。

在本研究中，我们提出了一种基于Hf掺杂In?O?（IHO）和HfO?的半导体/绝缘体异质结构，并通过原子层沉积（ALD）技术中的超级周期生长方法来构建多通道TFTs。这种结构设计的关键在于通过精确控制ALD过程，将传统的单通道配置转变为双通道和三通道配置，同时保持总通道厚度不变。这种方法不仅避免了额外的沉积成本和复杂性，还通过异质结构的能带工程实现了更高效的载流子传输。我们发现，这种多通道结构能够显著提升TFTs的场效应迁移率，使其从单通道的4.1 cm2/V?1s?1提升至三通道的9.7 cm2/V?1s?1，增幅达到2.4倍。同时，输出电流也得到了显著增强，从单通道的384 nA提升至三通道的1250 nA，增幅为3.2倍。

除了提升电性能，这种多通道结构还展现出优异的开关比（I_on/I_off）和低的亚阈值摆幅（SS）。我们观察到，三通道TFTs的开关比达到了10?，远高于单通道的水平。此外，亚阈值摆幅仅为0.18 V/dec，表明其在低电压驱动下的性能表现非常出色。这些特性使得三通道TFTs在高分辨率、高帧率的显示设备中具有显著优势，特别是在增强现实（AR）和虚拟现实（VR）等新兴应用领域。

为了实现这一结构，我们采用了一种全ALD工艺，能够在低于180°C的低温条件下完成所有层的沉积。这一工艺不仅降低了生产成本，还提高了设备的集成度，使其更适用于后端工艺（BEOL）的兼容性。与传统的高温沉积工艺相比，低温ALD工艺在材料选择和沉积条件上具有更大的灵活性，同时能够保持材料的高纯度和均匀性。此外，全ALD工艺还能够精确控制各层的厚度和界面质量，从而进一步优化TFTs的性能。

在本研究中，我们通过实验验证了这种多通道结构的有效性。实验结果表明，通过超级周期生长方法构建的三通道TFTs在各项性能指标上均优于单通道和双通道结构。此外，我们还发现，这种结构能够有效抑制垂直方向的载流子迁移，从而减少不必要的漏电流。这表明，三通道TFTs不仅在电性能上表现出色，还具有更好的稳定性，适用于高精度和高可靠性的显示设备。

为了进一步提升TFTs的性能，我们还探讨了不同材料组合对异质结构的影响。例如，通过引入不同的掺杂元素或调整材料的组成比例，可以优化能带结构和电子亲和力，从而形成更高效的2DEG。这种材料组合的优化不仅提高了TFTs的场效应迁移率，还增强了其在不同工作条件下的稳定性。此外，我们还发现，通过改变ALD过程中的生长参数，如脉冲时间和沉积速率，可以进一步优化多通道结构的性能。

在实际应用中，多通道TFTs的结构设计需要考虑多种因素，包括材料的相容性、沉积工艺的可行性以及最终器件的稳定性。例如，在构建多通道结构时，必须确保各层之间的界面质量良好，以避免界面缺陷对载流子迁移的不利影响。此外，还需要考虑不同材料在沉积过程中的相互作用，以确保最终结构的均匀性和一致性。这些因素共同决定了多通道TFTs在实际应用中的表现。

综上所述，本研究提出了一种基于Hf掺杂In?O?和HfO?的半导体/绝缘体异质结构，并通过超级周期生长方法在ALD工艺中实现了多通道TFTs的构建。实验结果表明，这种结构能够显著提升TFTs的场效应迁移率和输出电流，同时保持优异的开关比和低的亚阈值摆幅。此外，这种多通道结构在低温条件下能够实现全ALD工艺，为TFTs与BEOL的集成提供了良好的条件。这些研究成果为下一代显示驱动晶体管的设计和制造提供了新的思路和方法，具有重要的应用价值。