通过Ga2O3钝化诱导的二维电子气效应，SnO2薄膜晶体管的迁移率和偏置稳定性得到了显著提升

《Materials Today Advances》：Enhanced mobility and bias stability of SnO 2 thin-film transistors enabled by Ga 2O 3 passivation-induced two-dimensional electron gas

本研究采用溶胶-凝胶法制备SnO?薄膜晶体管，通过在背通道沉积Ga?O? passivation层抑制氧空位形成，同时利用Ga-O强键补偿悬挂键，有效隔离环境气体（H?O/O?）吸附。实验表明，Ga?O?层厚度与溶胶浓度正相关（0.01M至0.05M），最佳浓度实现15cm2/V·s场效应迁移率提升50%，并显著改善正负偏置稳定性（阈值电压漂移降低至±1.17V）。XPS和GIXRD分析证实Ga3?成功掺杂并优化能带结构，形成二维电子气增强载流子迁移。

　　在现代电子技术不断发展的背景下，金属氧化物薄膜晶体管（TFTs）因其在透明电子、柔性显示、可穿戴设备等新兴领域中的广泛应用而备受关注。TFTs作为控制像素的基本元件，是有机发光二极管（OLED）和液晶显示器（LCD）等主动矩阵显示技术的关键部分。传统上，使用非晶硅（a-Si:H）和多晶硅（poly-Si）制造的TFTs在低温下即可制备，但近年来，金属氧化物TFTs因其更高的场效应迁移率、更低的漏电流以及更大的光学带隙而逐渐成为主流选择。这些优势使得金属氧化物TFTs成为下一代电子器件的理想候选材料，特别是在需要透明性和柔性的应用场景中。然而，金属氧化物TFTs在实际应用中面临一个关键挑战，即由于偏压应力引起的电学性能不稳定问题，这限制了其在高可靠性电子设备中的应用。

为了解决这一问题，研究者们尝试通过多种方式改善金属氧化物TFTs的偏压稳定性，例如减少氧空位浓度、优化界面结构以及引入钝化层等。其中，钝化层的应用被认为是提升偏压稳定性的重要策略之一。钝化层能够有效隔离半导体与外界环境，减少水分和氧气分子的吸附，从而抑制电荷陷阱的形成。然而，传统的钝化材料在某些情况下可能会对迁移率产生负面影响，因为它们可能改变半导体的电学特性或增加界面处的散射效应。因此，寻找一种既能提升迁移率又不会损害偏压稳定性的钝化材料成为研究的热点。

在这一研究中，科学家们提出了一种基于溶胶-凝胶工艺的Ga?O?钝化层方案，用于改善SnO?基TFTs的偏压稳定性。SnO?作为一种具有高迁移率和良好透明性的金属氧化物材料，其在TFTs中的应用潜力巨大。然而，SnO?在连续偏压应力下容易出现性能退化，这主要归因于氧空位的存在以及半导体与绝缘层之间的界面缺陷。研究团队通过在SnO?活性沟道层上引入Ga?O?钝化层，成功解决了这一问题。Ga?O?不仅能够有效补偿SnO?表面的悬键，还能隔离水分和氧气分子，从而减少电荷陷阱的形成。更重要的是，Ga?O?的引入在SnO?中形成了一个准二维电子气，增加了自由载流子的浓度，进而显著提升了场效应迁移率。

实验结果显示，使用Ga?O?钝化层的SnO? TFTs在负偏压和正偏压应力测试中均表现出优异的稳定性。具体而言，未使用Ga?O?钝化层的SnO? TFTs在负偏压应力下表现出高达-20.2 V的阈值电压偏移，而在正偏压应力下则出现+8.7 V的偏移。相比之下，使用Ga?O?钝化层的TFTs在负偏压应力下的阈值电压偏移降至-14.29 V，正偏压应力下的偏移仅为+0.68 V和+1.17 V。这一显著的改善表明，Ga?O?钝化层能够有效抑制电荷陷阱和电荷释放过程，从而提升TFTs的偏压稳定性。此外，研究还发现，随着Ga?O?前驱体浓度的增加，钝化层的厚度也随之增加，进一步增强了其对SnO?表面的保护作用。

在材料特性方面，研究团队通过X射线光电子能谱（XPS）和紫外光电子能谱（UPS）对SnO?和Ga?O?的化学组成和能带结构进行了详细分析。XPS结果显示，Ga?O?钝化层能够有效减少SnO?表面的氧空位，同时促进Ga-O键的形成。这些键具有更高的结合能，表明Ga?O?在SnO?表面的沉积不仅改变了化学环境，还提高了材料的稳定性。UPS测试进一步揭示了SnO?和Ga?O?的功函数差异，Ga?O?的功函数低于SnO?，导致电子在SnO?的势阱中被有效限制，从而形成准二维电子气。这种电子气的形成显著提升了TFTs的场效应迁移率，使其从约10 cm2/Vs提升至约15 cm2/Vs，同时保持了良好的偏压稳定性。

从工艺角度来看，溶胶-凝胶方法因其简便性、可控性和低成本而受到广泛关注。这种方法不仅能够实现大面积的薄膜沉积，还支持如喷墨打印、凹版印刷和旋涂等多样化的制造技术，为柔性电子和可穿戴设备的生产提供了便利。然而，传统溶胶-凝胶工艺制备的金属氧化物薄膜在偏压应力下仍存在一定的性能退化问题，主要源于材料表面的缺陷和与环境的相互作用。本研究通过引入Ga?O?钝化层，不仅改善了SnO?薄膜的电学性能，还克服了溶胶-凝胶工艺带来的稳定性挑战。这种钝化方法在不影响材料基本特性的前提下，有效提升了TFTs的性能表现，为金属氧化物TFTs的工业化应用提供了新的思路。

此外，研究团队还对Ga?O?钝化层的厚度和浓度进行了系统分析。通过调整前驱体溶液的浓度，可以精确控制Ga?O?钝化层的厚度，从而优化其对SnO?沟道的保护效果。结果显示，0.01 M和0.05 M的前驱体溶液分别形成了4.0 nm和10.0 nm的Ga?O?钝化层。随着钝化层厚度的增加，TFTs的偏压稳定性进一步提升，同时迁移率也得到了增强。这一现象表明，Ga?O?钝化层不仅能够有效减少氧空位，还能通过形成更厚的保护层来降低外界环境对沟道的影响。

在应用场景方面，SnO?-Ga?O?钝化结构不仅适用于TFTs，还可能在其他领域发挥重要作用。例如，太阳能电池、透明导电电极和阻变式随机存取存储器（ReRAM）等器件对材料的稳定性和导电性有较高要求，而SnO?-Ga?O?结构正好能够满足这些需求。研究团队指出，Ga?O?的引入不仅提升了SnO?的电学性能，还增强了其在不同环境下的适应性，为未来的多功能电子器件开发提供了新的可能性。

总体而言，这项研究为金属氧化物TFTs的性能提升和稳定性改善提供了一种创新的解决方案。通过溶胶-凝胶工艺引入Ga?O?钝化层，不仅解决了传统钝化方法中常见的迁移率下降问题，还有效提升了器件的偏压稳定性。这一成果不仅具有重要的学术价值，还为下一代电子器件的设计和制造提供了实用的技术路径。未来，随着对材料性能和工艺优化的进一步探索，SnO?-Ga?O?钝化结构有望在更多领域得到应用，推动透明电子、柔性显示和可穿戴设备等技术的发展。