《Journal of Alloys and Compounds》：Organic-Inorganic Passivation for Improved Stability and Suppressed Electrical Degradation in Solution-Processed a-IGZO Thin-Film Transistors
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摘要本研究提出了一种由旋涂法制备的PMMA与溶胶-凝胶法制备的HfO?构成的有机-无机双层钝化结构，用以提升溶液法制备的a-IGZO薄膜晶体管的稳定性，抑制其电气性能的退化。通过吸光度光谱和电气测试，研究了钝化层堆叠顺序对器件性能的影响。结果实验结果表明，直接在a-IGZO表面沉
摘要
本研究提出了一种由旋涂法制备的PMMA与溶胶-凝胶法制备的HfO?构成的有机-无机双层钝化结构，用以提升溶液法制备的a-IGZO薄膜晶体管的稳定性，抑制其电气性能的退化。通过吸光度光谱和电气测试，研究了钝化层堆叠顺序对器件性能的影响。
结果
实验结果表明，直接在a-IGZO表面沉积HfO?会导致严重的界面退化，而在HfO?下方设置PMMA缓冲层则能有效保护有源通道。XPS深度剖析和化学分析显示，PMMA缓冲层的存在可有效阻止Hf的过度扩散，从而将背通道中与氧空位相关的缺陷比例从42.3%降至33.3%。因此，这种优化的双层结构显著降低了正负偏压下的阈值电压变化，将滞后区间缩小到0.15伏特。此外，防水测试表明PMMA/HfO?双层结构具有更好的防潮性能，能有效抑制水分引起的电气退化。本研究表明，有机-无机双层钝化结构能够有效提升溶液法制备的a-IGZO薄膜晶体管的环境稳定性和电气可靠性。
引言
溶液法加工作为一种成本较低且具备大规模生产能力的工艺，因其在制造大面积电子设备方面的优势，已受到广泛关注，相比溅射和原子层沉积等传统真空工艺更具优势[1]、[2]。在各类器件架构中，底栅式非晶铟镓锌氧化物薄膜晶体管因其出色的电气性能以及适合大规模生产的特性，被广泛应用于显示领域[2]、[3]、[4]。然而，底栅结构的一个固有缺陷是其背通道暴露在环境中，这使得溶液法制备的a-IGZO薄膜晶体管极不稳定[5]、[6]。
这种不稳定性主要源于内在因素和外在因素。内在缺陷，如氧空位和弱结合氧，会充当陷阱位置；而外在因素方面，暴露在外的背通道上吸附的氧分子和水分会导致严重的电气退化。在正偏压作用下，吸附的氧分子会捕获自由电子，从而导致载流子耗尽，阈值电压上升[7]、[8]、[9]。因此，有效的钝化措施对于提升器件稳定性、抑制环境引起的退化以及提高器件可靠性至关重要[6]、[10]。
有机材料和无机材料都被广泛用作钝化层。诸如聚甲基丙烯酸甲酯这样的有机聚合物具有出色的成膜能力、低成本且可在低温下加工，同时界面极性较低，有助于减少背通道处的电荷陷阱现象[11]、[12]。不过，它们较高的自由体积使得其对水分和氧气的阻隔性能有限[13]。
相比之下，无机钝化层因其致密的结构以及优异的阻隔性能而被广泛使用[14]。其中，氧化铪这类金属氧化物因其高极性和较低的蒸汽透过率而备受关注[15]。然而，当通过溶液法将金属氧化物前驱体直接施加到a-IGZO表面时，由于溶剂作用和前驱体的反应性，可能会导致严重的化学损伤，包括表面蚀刻和缺陷产生[16]。
这种化学不相容性凸显了溶液法加工系统面临的一个关键问题，尤其是在喷墨打印等逐层加工技术中：钝化层本身可能成为导致界面退化的根源。与传统真空沉积的混合层不同，后者通常通过优化层堆叠结构来延长物质在界面处的扩散路径，而溶液法逐层沉积前驱体则可能导致背通道蚀刻。因此，有机层与无机层的堆叠顺序对于确保界面完整性和器件稳定性起着至关重要的作用。尽管此前已有有机-无机混合钝化结构的相关报道，但对于溶液法制备的a-IGZO薄膜晶体管中因堆叠顺序不同而产生的退化机制，目前仍缺乏系统的了解。本研究通过一种低温、全溶液法加工的策略，解决了这一研究空白，该策略能够在避免化学不相容性的同时保持良好的阻隔性能。
在本研究中，我们采用了一种由PMMA缓冲层和溶胶-凝胶法制备的HfO?阻隔层构成的有机-无机双层钝化结构。选择HfO?是因为它密度高、防潮性能优异、蒸汽透过率低，且介电常数高，这些特性都有助于抑制环境引起的退化。PMMA层则起到化学兼容的缓冲作用，既能防止活性高的Hf前驱体与a-IGZO表面直接接触，又能形成低极性的界面。
我们研究了钝化层堆叠顺序对溶液法制备的a-IGZO薄膜晶体管的电气、光学及化学性能的影响。通过结合电气测试、吸光度光谱分析以及X射线光电子能谱分析，我们阐明了直接无机沉积导致的界面退化的机理。基于这些分析，我们证明优化的PMMA/HfO?双层结构能够有效抑制缺陷的产生，降低环境带来的不稳定性，进而大幅提升器件的可靠性。除了提供化学防护外，这种有机-无机混合的层堆叠结构还为柔性电子器件的发展提供了重要参考。虽然致密的无机薄膜具有良好的防潮性能，但它们在弯曲应力作用下极易出现裂纹。而柔软的PMMA聚合物则可作为应力缓冲层，吸收结构应力，从而防止裂纹扩展，保持器件在物理变形过程中的电气完整性。此外，虽然本研究以HfO?为研究对象，但所提出的双层策略可为解决溶液法制备的氧化物薄膜晶体管中因前驱体引起的退化问题提供通用方法，未来也可应用于其他蒸汽透过率较低的金属氧化物体系，如Al?O?、SiO?、Y?O?等。
章节节选
实验部分
首先，将水合硝酸铟(III)、水合硝酸镓以及无水醋酸锌分别溶解在2-甲氧基乙醇中，配制成浓度为0.1摩尔的IGZO溶液。这些组分按In:Ga:Zn的摩尔比为7:1:2混合，然后在75℃、350转/分钟的条件下搅拌1小时30分钟，之后再将溶液放置24小时以上使其老化。
接着，将PMMA溶解在2-甲氧基乙醇中，配制成质量分数为4%的PMMA溶液。该溶液在相应温度下搅拌了11小时。
电气特性
图2展示了三种不同结构的a-IGZO薄膜晶体管的传输特性，包括漏极电流与栅极电压的关系以及栅极漏电流的情况。如图2(b)所示，所有器件的栅极漏电流表现几乎一致，数值极低（约10?11安培），这表明顶层的溶液法钝化处理并未损害底层栅极介质的完整性。a-IGZO薄膜晶体管的电气参数，包括阈值电压等，
结论
本研究成功开发出一种用于a-IGZO薄膜晶体管的有机-无机双层钝化结构，该结构由PMMA缓冲层和溶胶-凝胶法制备的HfO?阻隔层组成。PMMA缓冲层能有效防止溶剂引起的表面蚀刻，同时抑制溶胶-凝胶工艺过程中Hf的扩散。XPS分析结果证实了这种结构隔离效应，数据显示与氧空位相关的缺陷比例从42.3%下降到了33.3%；光学吸光度测试也验证了这一结论。
作者贡献说明
Yong-Sang Kim：文章撰写与修改、项目监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念构思。Min-Woo Ha：实验方法设计。Dae Woong Kim：实验方法设计、定量分析。Hanzhi Huang：文章初稿撰写、数据可视化、结果验证、相关研究工作、定量分析、数据整理。Kook Chul Moon：项目监督、实验方法设计。Hyeong No Lee：文章撰写与修改、实验方法设计、相关研究工作。
利益冲突声明
所有作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了韩国贸易、工业与能源部资助的韩国产业技术规划评价院推出的技术创新计划（项目编号00408495，项目名称为“用于实现高于240赫兹帧率且功耗低于85毫瓦的高性能无缝微LED模块化显示器的氧化物薄膜晶体管背板技术研发”）的支持。
Hanzhi Huang|Dae Woong Kim|Hyeong No Lee|Kook Chul Moon|Min-Woo Ha|Yong-Sang Kim
韩国京畿道水原市成均馆大学半导体融合工程系，邮编16419
