光子探针揭示In-Ga-Sn-O薄膜晶体管陷阱态分布及其与负偏压光照不稳定性的关联机制研究

研究人员针对新型氧化物半导体IGTO在显示应用中面临的稳定性问题，通过调控O2/(Ar+O2)比例制备薄膜晶体管，结合PECCS技术首次系统揭示了IGTO的陷阱态密度分布特征。发现2%氧比例样品兼具高迁移率(37.3 cm2/Vs)和优异稳定性，其红光区陷阱密度达4.83×1011 cm?2eV?1，为IGZO替代方案提供重要理论依据。

　　

在显示技术飞速发展的今天，氧化物半导体薄膜晶体管(TFT)作为驱动核心面临着性能与稳定性的双重挑战。传统明星材料In-Ga-Zn-O(IGZO)虽已广泛应用，但其10 cm²/Vs的迁移率难以满足8K超高清显示需求。更棘手的是，器件在光照和偏压作用下的阈值电压漂移(ΔV_th)问题始终未获根本解决。韩国庆熙大学的研究团队将目光投向新型In-Ga-Sn-O(IGTO)材料，通过精妙设计实验揭示了材料中陷阱态与稳定性的内在关联。

研究采用光子激发电荷收集光谱(PECCS)等关键技术，通过调控溅射气体中O₂/(Ar+O₂)比例(2%-10%)制备系列样品，结合X射线衍射(XRD)确认非晶态结构，系统评估了不同波长光照下的电学性能变化。

【Target fabrication】
采用高纯度In₂O₃、Ga₂O₃和SnO₂粉末按65:20:15比例球磨制备靶材，冷等静压成型后经1500°C烧结，最终沉积20 nm厚IGTO沟道层。

【Thin-film characterization】
XRD证实所有薄膜均保持非晶态，避免了晶界缺陷。紫外光电子能谱(UPS)显示随着氧比例增加，费米能级向价带移动，表明氧空位(V_O)浓度降低。

【结论】
研究发现2%氧比例样品展现出最佳综合性能：场效应迁移率达37.3 cm²/Vs，正偏压应力(PBS)下ΔV_th仅0.21 V。PECCS分析首次揭示IGTO在红光区存在显著陷阱态(4.83×10¹¹ cm^?2eV^?1)，这与IGZO的紫外敏感特性形成鲜明对比。通过关联陷阱态分布与NBIS稳定性数据，证实Sn-O键的稳定性使器件在蓝光/紫外区表现更优。

这项发表于《Materials Science in Semiconductor Processing》的研究不仅为高迁移率氧化物TFT开发提供了材料设计新思路，其建立的PECCS分析方法更为揭示光电器件退化机制开辟了新途径。特别值得注意的是，研究揭示的红光敏感特性对显示面板的背光设计具有重要指导意义，为攻克下一代Micro-LED显示的技术瓶颈提供了关键理论支撑。