离子束沉积法制备高迁移率低粗糙度IGZO薄膜的等离子体能量调控机制及器件应用研究

本研究针对现有IGZO薄膜制备方法存在的等离子损伤、化学残留等问题，采用离子束沉积(IBD)技术，系统探究了氧/非氧环境下等离子体能量对薄膜光电性能的调控机制。结果表明：非氧条件获得高迁移率(>15 cm2 /V·s)但低透光率(<75%)，氧环境实现埃级粗糙度且透光率>78%，为高密度3D-DRAM和柔性显示器件设计提供了参数优化依据。

　　

随着现代电子器件对高性能材料的迫切需求，非晶氧化物半导体(AOS)因其高介电常数、宽禁带等特性成为薄膜晶体管(TFT)的核心材料。其中铟镓锌氧化物(IGZO)凭借高迁移率、低功耗等优势，在平板显示、柔性电子及新型存储器(如3D-DRAM和2T0C架构)中展现出巨大潜力。然而传统制备方法如磁控溅射存在等离子损伤，溶胶-凝胶法易产生化学残留，导致薄膜性能受限。特别是等离子体能量对IGZO微观结构的调控机制尚不明确，制约了其在高端器件中的应用突破。

江苏师范大学的研究团队采用离子束沉积(IBD)技术，通过精确调控栅极电压改变等离子体能量，在硅基和石英基底上制备了IGZO薄膜。研究对比了富氧与非氧环境下薄膜的光电性能差异，结合X射线光电子能谱(XPS)等表征手段，揭示了等离子体能量通过调控氧空位浓度和铟原子析出影响器件性能的机制。相关成果发表于《Optical Materials》，为下一代电子器件开发提供了重要理论指导。

关键技术包括：1) 采用Leuven Instruments Ganister?? A离子束溅射系统，通过调节束流调制电压(BMV)控制等离子体能量；2) 使用In:Ga:Zn:O=1:1:1:4靶材在室温下沉积100nm薄膜；3) 通过霍尔效应测试仪、原子力显微镜(AFM)和紫外-可见分光光度计分别表征电学、形貌和光学性能。

【实验结果】
XRD分析显示所有薄膜均保持非晶态，表明等离子体能量变化不影响结晶结构。霍尔测试表明：非氧环境下，随着BMV从200V增至350V，载流子浓度从2.1×10¹⁹
cm^-3
升至4.3×10¹⁹
cm^-3
，迁移率从15.2提升至24.6 cm²
/V·s，归因于高能等离子体引发的铟原子析出；而氧环境下载流子浓度降低一个数量级，证实氧空位被有效抑制。

光学测试显示非氧条件薄膜可见光透过率<75%，氧环境则保持>78%的高透光性。AFM揭示氧环境下薄膜表面粗糙度达埃级(0.2nm)，显著优于非氧条件的0.8nm，这得益于IBD的中性粒子束可减少表面轰击损伤。XPS证实氧环境下O_1s
峰向高结合能偏移，表明金属-氧键比例增加，有效降低了缺陷态密度。

【结论与意义】
该研究首次系统阐明了IBD技术中等离子体能量对IGZO薄膜性能的双重调控机制：非氧条件适合制备高迁移率器件，而氧环境则能同时实现埃级粗糙度和高透光率。这种"能量-微结构-性能"的定量关系，为面向不同应用场景的IGZO薄膜定制化制备提供了明确指导。特别是在3D-DRAM等高密度存储器中，IBD技术展现出的优异台阶覆盖性和低损伤特性，有望突破现有磁控溅射工艺的局限。研究提出的氧空位浓度梯度调控策略，也为开发兼具高迁移率和低功耗的氧化物半导体器件开辟了新路径。