等离子体辐照氧化铪铁电体助力高性能柔性薄膜晶体管

本研究针对柔性基底上低温制备高性能薄膜晶体管（TFT）的难题，提出通过氩等离子体辐照稳定铪锆氧化物（HZO）铁电相的新策略。研究人员在300°C低温下利用等离子体诱导氧空位，成功实现HZO正交相稳定化，并将其与高介电常数HfO2 结合构建被动堆栈。所得IGZO沟道TFT的亚阈值摆幅（SS）降低72%至41 mV/dec，场效应迁移率（μ）提升至28.8 cm2 /V·s，弯曲万次后仍保持稳定性能，为柔性电子器件开发提供新范式。

　　

在柔性电子技术快速发展的今天，如何在不损伤温度敏感基底的前提下制备高性能薄膜晶体管（TFT）成为关键挑战。传统氧化铪（HfO₂
）基铁电材料虽能通过负电容（NC）效应提升器件性能，但其高温结晶工艺与柔性聚酰亚胺基板（耐受极限350°C）的兼容性始终是悬而未决的难题。更棘手的是，常规快速热退火（RTA）和电极应力诱导等相稳定化方法在室温沉积场景下收效甚微，这严重制约了柔性TFT在可穿戴设备、电子皮肤等领域的应用前景。

针对这一技术瓶颈，韩国国立研究基金会等机构的研究团队在《Materials Today Nano》发表创新成果。研究者另辟蹊径，采用氩等离子体辐照技术，在300°C低温条件下成功实现铪锆氧化物（Hf_0.5
Zr_0.5
O₂
, HZO）铁电正交相的稳定化。通过高能Ar⁺
离子轰击诱导氧空位，不仅突破传统热处理的温度限制，更与高介电HfO₂
构成被动堆栈，创造出兼具优异机电性能和工艺兼容性的新型TFT架构。

研究团队运用X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）进行晶体结构解析，结合压电力显微镜（PFM）验证铁电性，通过光谱技术追踪氧空位形成机制。器件层面采用IGZO沟道设计，系统比较等离子体处理前后TFT的电学特性差异，并通过万次弯曲实验评估机械稳定性。

等离子体辐照稳定铁电相
氩等离子体处理通过双重机制发挥作用：高能离子轰击产生可控氧空位，同时提供结晶所需能量。XRD与TEM证实，该方法使HZO在300°C即形成纳米级正交相晶粒，PFM检测到明显铁电畴翻转，证实低温下获得本征铁电性。

器件性能突破
集成HZO/HfO₂
堆栈的TFT展现革命性提升：亚阈值摆幅（SS）从147 mV/dec骤降至41 mV/dec，场效应迁移率（μ）提升5倍达28.8 cm²
/V·s。特别值得注意的是，柔性器件在弯曲半径3mm、万次循环后，导通电流（I_on
）保持率超过95%，弯曲状态μ仍达33.9 cm²
/V·s。

结论与展望
该研究颠覆了铁电相稳定化的传统认知，证明等离子体辐照可替代高温退火，为柔性电子提供低温工艺解决方案。HZO/HfO₂
被动堆栈设计巧妙结合负电容与高介电优势，使TFT同时实现低功耗（SS<60 mV/dec）与高驱动能力。研究团队特别指出，该方法可直接移植至现有半导体产线，对推动可折叠显示、生物医学传感等应用具有重大产业化价值。未来通过优化等离子体参数，有望进一步降低处理温度至150°C以下，拓展其在有机基底上的应用边界。