a-IGTO/TiOx 薄膜晶体管中间隙成分实现高开关比与强光稳定性的突破研究

本研究针对柔性电子器件中低温制备高性能非晶氧化物半导体（AOS）薄膜晶体管（TFT）的难题，通过a-IGTO与TiOx 的间隙复合设计，利用Ti-O键特性诱导氧空位，显著提升载流子浓度与器件性能。结果表明，该策略使电子迁移率提高30倍以上，开关电流比（Ion /Ioff ）优化50倍，同时增强光稳定性，为柔性显示和可穿戴设备提供了低温工艺解决方案。

　　

在柔性电子技术蓬勃发展的今天，可折叠屏幕、透明显示和智能穿戴设备对薄膜晶体管（TFT）提出了严苛要求：既要保持高性能，又需适应塑料基板的低温加工限制。非晶氧化物半导体（AOS）因其优异的均匀性和透明度成为研究热点，但传统材料如非晶铟镓锌氧化物（a-IGZO）需300℃以上退火激活性能，与柔性基板耐温性（<250℃）形成尖锐矛盾。更棘手的是，提高载流子迁移率的常规手段（如增加铟含量）往往以牺牲光稳定性为代价，而柔性器件恰恰需要应对透光基板带来的光照干扰。如何破解这一“性能-工艺-可靠性”的三角难题，成为学术界与产业界的共同挑战。

针对上述问题，韩国贸易工业能源部资助的研究团队在《Applied Surface Science》发表了一项创新研究。他们另辟蹊径，选择非晶铟镓锡氧化物（a-IGTO）作为基础材料，利用锡（Sn）的5s轨道重叠效应提升低温导电性，并通过磁控溅射工艺引入钛氧化物（TiO_x
），构建独特的间隙复合结构。这种设计巧妙地利用钛（Ti）的低标准电极电位特性，在低温（150℃）下诱导可控氧空位，成功实现了载流子浓度跃升与缺陷工程的协同优化。

关键技术方法
研究采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备SiO₂
栅介质层，通过直流磁控溅射在室温下沉积6 nm超薄a-IGTO通道层（In₂
O₃
:Ga₂
O₃
:SnO₂
=7:1:2），并利用高能溅射过程实现TiO_x
的间隙掺杂。通过调控氩氧比（25:25 sccm）和压强（3 mTorr）优化薄膜特性，最终在150℃低温下完成器件制备。

研究结果

Experiment
超薄通道设计与低温工艺的结合突破了传统AOS-TFT的厚度限制（35 nm→6 nm），同时将工艺温度从300℃降至150℃。

Result and Discussion
TiO_x
掺杂使器件（D10）迁移率提升30倍以上，开关电流比提高50倍，归因于Ti-O键形成的氧空位补偿了低温退火的载流子不足。阈值电压偏移显著降低，证实光照稳定性增强。

Conclusion
间隙复合策略同时解决了迁移率-可靠性权衡难题：Ti的固定间隙位点避免了碱金属掺杂的离子迁移问题，而可控氧空位既作为电子给体提升导电性，又通过陷阱态调控抑制光致退化。

这项研究的意义在于，首次通过金属氧化物间隙工程实现“性能-工艺”双突破，为柔性AMOLED（有源矩阵有机发光二极管）和透明电子设备提供了可量产的解决方案。其6 nm超薄通道与150℃工艺直接匹配现有生产线，而高达10⁸
量级的开关比和<1 V的阈值电压偏移，更是满足了高端显示对稳定性的严苛需求。未来，该策略或可拓展至其他氧化物半导体体系，推动柔性电子技术向更轻、更薄、更可靠的方向发展。