晶態IGZO薄膜晶體管的研究進展

姜柏齊， 劉斌， 劉賢文， 張碩， 翁樂， 史大為， 郭建， 蘇順康，姚琪， 寧策， 袁廣才， 王峰， 喻志農*

（1.北京理工大學 光電學院， 北京市混合現實與先進顯示技術工程研究中心，北京 100081；2.重慶京東方顯示技術有限公司， 重慶 400714；3.北京京東方顯示技術有限公司， 北京 101520）

1 引言

薄膜晶體管（TFT）是使用半導體材料制成的絕緣柵極場效應管。近年來，薄膜晶體管液晶顯示器在電視、電腦、手機和可穿戴電子設備等領域有廣泛的應用［1］。作為液晶顯示器的重要組成部分，薄膜晶體管對顯示器大容量、高清晰度、高分辨率的顯示要求具有重要作用。因此，提升薄膜晶體管整體的性能是提高液晶顯示品質的關鍵。TFT通常由半導體薄膜、絕緣柵極和金屬電極構成，對半導體薄膜材料的選擇會直接影響晶體管的整體性能。

當前，金屬氧化物銦鎵鋅氧化物（Indium Gallium Zinc Oxide， IGZO）作為寬禁帶的n型半導體得到了廣泛的關注，并被應用于薄膜器件（TFT）溝道層中［2］。其中非晶銦鎵鋅氧化物（a-IGZO）薄膜晶體管因其載流子遷移率高、柔性好、透明度高等特點在顯示應用方面吸引了相關學者的極大關注［2-7］。然而a-IGZO薄膜晶體管在光照、偏壓、溫度等外界條件的影響下存在性能退化等可靠性問題［8-13］。研究人員對不同形態IGZO的內部機制進行了大量的研究發現，通過形成晶態IGZO替代原來的非晶IGZO有源層，所制備的TFT具有較好的均勻性［14］，是提高IGZO TFT性能和穩定性的選擇之一。

將晶態IGZO運用于TFT最早由Nomura等人［15］提出，并得到了性能優異的薄膜晶體管器件。隨著對晶態IGZO TFT研究的不斷推進，陸續出現了將c軸取向結晶、六方多晶IGZO、尖晶石型、納米晶型以及原生晶型IGZO應用于薄膜晶體管的研究，在保持相應電學性能的情況下提升了器件穩定性，是薄膜晶體管未來發展的重要方向。本文總結了近年來晶態IGZO在薄膜晶體管中的應用，并展望了其未來發展前景。

2 單晶IGZO薄膜晶體管

2.1 IGZO的基本晶體結構

1985年，Kimizuka等人［16］首次識別出In-Ga-Zn-O系化合物晶相，他們對InGaO3（ZnO）n同系化合物（n=1～13）的粉末進行X射線衍射（X-Ray Diffraction， XRD），揭示了其晶相之間的關系和溶解度范圍。該結構由沿c軸堆疊的金屬氧化物層組成，當n為偶數時是三方晶系晶胞，n為奇數時是六方晶系晶胞。隨著研究的推進，In-Ga-Zn-O系化合物晶體結構得到深入分析。以InGaO3（ZnO）晶體為例，Nespolo等人［17］將In2O3、Ga2O3和ZnO粉末放入鉑管中，在1 200 ℃、2 GPa的壓力下反應20 h，合成了較大尺寸的InGaO3（ZnO）晶體。根據其測定的結構參數，研究人員構建出的晶體結構模型如圖1所示。所有陽離子和陰離子都在三角晶格上，如圖1（a）。晶體結構由兩部分組成：（1） In3+和周圍6個O2-離子組成的InO6共棱八面體；（2） Ga3+或Zn2+和周圍5個O2-離子組成的三角雙錐。將InO6共棱八面體形成的層狀結構描述為InO2-單元，同時將三角雙錐結構描述為（GaZn）O2+單元，三角雙錐的兩個四面體平行于c軸堆疊。InO2-和（GaZn）O2+單元交替堆疊，如圖1（b），層間經由共用的O2-離子相連，并沿著c軸排列。正是這樣交替堆疊的單元組成了IGZO的基本晶體結構。

2.2 單晶IGZO薄膜晶體管的制備工藝與性能

類似于InGaO3（ZnO）晶體結構，InGaO3（ZnO）3是由InGaO3（ZnO）加上兩個ZnO層組成的三方晶系晶胞。其在（GaZn）單元的上方和下方各有一層四面體纖鋅礦型ZnO層，四層連續的三角雙錐和四面體構成一個（GaZn3）單元。如圖2所示，3個沿c軸方向重復的單元構成InGaO3（ZnO）3的基本結構［18-19］。

圖2 InGaO3（ZnO）3的晶體結構，InO6為共棱八面體，Zn（1）O4為四面體，Zn（2）/GaO5為三角雙錐［19］。Fig.2 Crystal structure of InGaO3（ZnO）3， InO6 has common-edged octahedron structure， Zn（1）O4 has tetrahedron structure， and Zn（2）/GaO5 has triangular bicone structure ［19］.

同理，在InGaO（3ZnO）3晶體結構的單元上下方各加入一層ZnO層可以得到基本單元。將其與周期性交替排列可得到InGaO（3ZnO）5的基本結構，如圖3（a）。該周期性多層結構被稱為“自然超晶格”［20］，可以對二維層面的電子進行空間限制。其中層作為氧擴散的阻擋層，抑制氧空位形成，使得載流子在層內的橫向移速遠高于其在層和層之間的縱向移速。2003年，Nomura等人［15］提出并制備了單晶透明氧化物InGaO（3ZnO）5薄膜晶體管有源層，所得器件電流開關比和遷移率達到約106和80 cm2/（V·s），在390～3 200 nm波長范圍內的光學透過率＞80%。

圖3 （a） InGaO3（ZnO）5晶體結構；（b，c）通過固相外延反應在YSZ（111）上生長的InGaO3（ZnO）5薄膜的橫截面透射電子顯微鏡（TEM）圖像［15］。Fig.3 （a） InGaO3（ZnO）5 crystal structure； （b， c） Crosssectional TEM image of InGaO3（ZnO）5 thin films grown on YSZ（111） by reactive solid-phase epitaxy［15］.

采用傳統的氣相生長技術制備層狀結構和成分復雜的金屬氧化物單晶薄膜較為困難，因此Nomura等人提出使用一種生長層狀復合氧化物單晶的方法：反應固相外延技術（Reactive Solid-Phase Epitaxy， R-SPE）［21］。首先在600 ℃下利用激光脈沖沉積（PLD）制備2～200 nm厚度的ZnO外延層到單晶釔穩定氧化鋯（YSZ）襯底上，然后在室溫下將InGaO（3ZnO）5沉積到ZnO薄膜上，沉積過程與ZnO薄膜類似。沉積的InGaO3（ZnO）5和ZnO薄膜相對厚度將決定InGaO3（ZnO）m中m的大小。接下來在沉積薄膜表面覆蓋YSZ板并將其置于1 400 ℃空氣中退火0.5 h，最后得到單晶InGaO3（ZnO）5薄膜，橫截面透射電子顯微鏡（TEM）圖如圖3（b，c）所示，可以見到清晰的層狀結構。

2014年，Yoshinori等人［22］在未沉積ZnO外延層的情況下成功制備出單晶InGaO3（ZnO）3薄膜。他們首先在YSZ襯底上沉積c軸取向結晶IGZO薄膜，而后1 200 ℃高溫退火1 h，將其轉化為單晶IGZO薄膜，最后所得TFT器件開關比約為107，遷移率為8.1 cm2/（V·s），各項性能均優于未經高溫退火的CAAC-IGZO TFT器件。隨著對單晶IGZO研究的深入，研究人員還提出了很多制備單晶IGZO的方法，如光學浮區法制備大尺寸InGaO3（ZnO）［19］、基于溶液前驅體的固相擴散生長InGaO3（ZnO）n納米線［23］等，但其制備方法并不適用于薄膜晶體管，在此不展開討論。

總的來說，單晶IGZO薄膜晶體管具有良好的場效應遷移率、開關比以及穩定性，但是制備條件非常嚴苛，過高的退火溫度導致其暫時無法投入實際生產應用中。研究人員需要探究可以低溫制備且能投入實際應用的晶態IGZO。

3 C軸取向結晶IGZO薄膜晶體管

3.1 CAAC-IGZO的晶體結構

在實際生產過程中，由于YSZ基板成本較高，難以實現大規模生產。因此科研人員對在其他襯底上制備IGZO的方法進行了研究。2009年，Yamazaki等人［24］首次發現，IGZO可以在600～700 ℃的高溫退火下從薄膜內部結晶，并且在距離該薄膜表面深度約5 nm的區域內有平行于表面的層狀晶體。由于該區域晶體的c軸垂直于表面，因此這種晶體被命名為c軸取向晶體（C-Axis Aligned Crystalline， CAAC）。CAAC-IGZO是介于單晶和非晶之間的一種晶體形態，具有連續的晶格結構。相較于多晶和非晶材料，CAAC-IGZO的結構更接近單晶［25］，如圖4所示。其中亮點為原子序數較大的In，一層In層（亮點）和兩層Ga或Zn層（暗點）交替排列。同時可以看出，CAACIGZO薄膜和單晶InGaZnO4具有相同晶體結構和相似的In、Ga和Zn原子間距，沿c軸周期性排列。圖5為大視場下觀察到的CAAC-IGZO薄膜，其內部晶體結構連續，無明顯晶界。同時薄膜表面凹凸不平，但內部IGZO原子層始終平行于不均勻表面。放大的截面TEM圖如圖6（a）所示，對圓圈中表示的每個區域進行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform， FFT）處理（圖6（c）），可以清晰地觀察到區域內關于c軸排列的點，并且c軸取向角變化平穩［24］。雖然CAAC-IGZO薄膜具有沿c軸的排列，但與單晶IGZO薄膜不同的是，其在a～b面不具有排列結構。

圖4 （a） 單晶InGaZnO4、（b） CAAC-IGZO薄膜和（c）InGaZnO4模型的HAADF-STEM截面圖［18］。Fig.4 Cross-sectional HAADF-STEM images of （a） singlecrystal InGaZnO4， （b） CAAC-IGZO film and （c）InGaZnO4 model［18］.

圖5 （a） CAAC-IGZO薄膜TEM圖；（b）圖（a）表面部分放大圖；（c） 對（b）重建的反傅里葉變換圖［24］。Fig.5 （a） TEM image of CAAC-IGZO thin film； （b） Enlarged image of （a） surface part； （c） Inverse Fourier transform image reconstructed from （b）［24］.

圖6 （a）圖5中的放大TEM截面圖；（b）邊界區域放大圖； （c）圓形區域的FFT分析［24］。Fig.6 （a） Magnified image of a boundary region in Fig.5（b）； （b） Enlarged boundary region； （c） FFT analysis of circular region［24］.

3.2 CAAC-IGZO薄膜晶體管的制備工藝與性能

Yamazaki等人［24］在600～700 ℃高溫下退火結晶形成CAAC-IGZO，但是長時間退火會導致IGZO晶體內部形成多晶，從而產生不完全的CAAC薄膜。因此，為制備良好的CAAC結晶形貌，研究人員發現了在較高襯底溫度下濺射沉積可以得到結晶態薄膜，該方法被稱為原位退火法。其有兩個基本要素：襯底溫度和氧流量比。

Kimizuka等人［18］使用原子比In∶Ga∶Zn=1∶1∶1的InGaZnO4多晶靶材，通過濺射法在石英襯底上沉積100 nm CAAC-IGZO薄膜。同時變化濺射時襯底溫度和氧流量比，得到如圖7所示XRD圖。當濺射沉積時襯底溫度和氧流量比越高時，XRD峰值強度越高，CAAC-IGZO的結晶度越高。2014年Lynch等人［26］在0.665 Pa的Ar和O2氣氛中使用射頻磁控濺射系統制備了c軸取向的IGZO晶體。他們發現在190 ℃沉積溫度下制備的薄膜為非晶結構，而襯底溫度達到310 ℃能夠得到c軸取向結晶，且在10% O2分壓下晶體具有較為一致的c軸取向。但隨著O2分壓的增長，晶體c軸取向的一致性會減弱，形成隨機排列的納米晶粒形貌。Hsu等人［27］在150～200 ℃的襯底上濺射制備IGZO薄膜時發現，較低的襯底溫度可以控制初始成核的分布以及后續晶粒尺寸，從而提高柵極電介質和有源層間的界面質量。而后，他們對所得薄膜后退火并制備薄膜晶體管，器件在500 ℃后退火下遷移率為1.33 cm2/（V·s），開關比約為105，另外器件具有極低的關態電流和亞閾值擺幅。這是因為c軸取向IGZO結晶程度的提高導致薄膜通道內影響關態電流的氧空位減少。為了進一步探究襯底溫度和氧氣比例和IGZO結晶質量的關系，Zhu等人［28］使用區域探測器衍射系統（General Area Detector Diffraction System， GADDS）對不同襯底溫度和氧流量比下制備的IGZO薄膜進行測試，通過分析X射線在θ和χ兩個方向的數據分別得出CAAC-IGZO結晶程度和溫度、氧流量比的關系。如圖8（a）所示，在200～310 ℃之間，隨著襯底溫度的升高，薄膜XRD峰值強度增強，CAAC-IGZO的結晶度升高。χ方向的FWHM變化則表明，在185～250 ℃時曲線峰值寬度下降，薄膜晶體排列逐漸有序，在250～310 ℃下排列良好，而繼續提高溫度晶體失去排列。如圖8（b）所示，當氧流量比達到20%時，XRD峰值強度趨于穩定，結晶度較高，并且晶體排列的有序程度較高。根據結晶度和晶體排列的量化分析得到圖8（c），在低氧分數或襯底溫度下，只有a-IGZO形成；隨著O2氣流量比例或襯底溫度的升高，薄膜進入到c軸取向結晶區；而隨著O2氣流量比例或襯底溫度的進一步升高，排列丟失，薄膜傾向于形成無序排列的多晶IGZO。

圖8 （a）不同襯底溫度和（b）不同氧流量比下的XRD衍射峰強度和χ方向的FWHM關系；（c）IGZO的結構相示意圖，其中x軸為XRD強度（結晶程度的度量），y軸為χ方向的FWHM值（晶體排列的度量）［28］。Fig.8 FWHM relationship between XRD diffraction peak intensity and χ direction at different （a） substrate temperature and （b） oxygen flow ratio； （c） Schematic diagram of the structural phase of IGZO，where the x-axis is the XRD intensity and the yaxis is the FWHM value in the χ direction ［28］.

在上述研究中，只有在較高的襯底溫度下濺射才能獲得CAAC-IGZO。Zhang等人［29］提出Zn含量是影響IGZO薄膜結晶的重要因素，Zn含量的提升有助于晶態IGZO薄膜形成。Zn含量越高，IGZO結晶所需的襯底溫度越低。基于該發現，Zhang等人使用原子比In∶Ga∶Zn=0.42∶0.25∶1的IGZO多晶靶材，通過濺射法在室溫下引入氧分壓制備得到了c軸取向的IGZO薄膜，所得器件在氧分壓為12 mPa時TFT遷移率達到4.49 cm2/（V·s），開關比約為107。隨后，他們對其進行后退火處理，由于氧空位相關缺陷減少，器件在300～400 ℃下遷移率提高至9.03 cm2/（V·s）。

3.3 CAAC-IGZO薄膜晶體管的穩定性

氧化物TFT的不穩定性主要是由不同外界應力以及其多種組合引起的［30］。其中，VTH偏移的主要原因是載流子（電子或空穴）在柵極電介質和氧化物半導體間的界面處被捕獲［31］。例如，在正柵極偏壓應力（PBS）條件下，電子在IGZO/柵極電介質界面處被捕獲，導致VTH正向偏移。此外，在正柵極偏壓溫度應力（PBTS）的環境下，氧相關缺陷處的電子俘獲會導致VTH的大范圍偏移和異常電子轉移行為［32］。相比于傳統的薄膜晶體管溝道，CAAC-IGZO溝道在不同的柵偏壓、溫度和光應力等條件下表現出較好的穩定性。

Kang等人［33］針對CAAC-IGZO薄膜晶體管電學和光學穩定性進行了研究，分別對a-IGZO、納米晶型IGZO（Nanocrystalline， nc-IGZO）和CAAC-IGZO薄膜晶體管進行了正負偏壓應力和光學穩定性測試。圖9（a）、（b）、（c）表明，在正柵極偏壓及其他環境組合應力測試中，由于nc-IGZO中存在晶界和氧空位相關缺陷，nc-IGZO TFT的ΔVTH遠大于a-IGZO TFT和CAAC-IGZO TFT，其穩定性較差。負柵極偏置及其他環境組合應力測試結果如圖9（d）、（e）、（f）所示。通常在IGZO TFT器件中，負柵極偏壓和光照（NBIS）條件下產生的光生空穴被IGZO薄膜深能級缺陷捕獲，被捕獲的空穴隨著負柵極偏壓注入SiO2薄膜等柵極電介質的缺陷態，從而導致VTH的負向偏移［34］。在測試中，CAAC-IGZO TFT表現出更小的VTH偏移。隨著時間的推移，CAAC-IGZO TFT的VTH偏移趨于飽和（圖9（f）），而a-IGZO TFT則表現出持續的VTH負向偏移（圖9（e））。由于a-IGZO和CAAC-IGZO膜有相似帶隙（a-IGZO：3.76 eV，CAAC-IGZO：3.71 eV），可以認為在光強和柵極偏壓相同的情況下，兩器件注入到柵極電介質缺陷態的光生空穴數量相似。因此，a-IGZO薄膜中較大VTH負向偏移可以歸因于其具有大量與氧空位缺陷相關的深能級態，而晶態半導體具有較少的深能級態。

圖9 a-IGZO、CAAC-IGZO和nc-IGZO在（a） HCS、（b） PBS和（c） PBTS測試中閾值電壓變化和應力作用時間的關系；（d） NBIS測試過程中a-IGZO和CAAC-IGZO閾值電壓變化和應力作用時間的關系；（e） a-IGZO和（f）CAAC-IGZO TFT在NBIS測試中的轉移特性曲線；a-IGZO和CAAC-IGZO TFT在（g）紫外脈沖和（h）連續紫外光照射下的瞬態光響應曲線［33］。Fig.9 Relationship between threshold voltage change and stress time in （a） HCS，（b） PBS and （c） PBTS tests of a-IGZO， CAAC-IGZO and nc-IGZO； （d） Relationship between a-IGZO and CAAC-IGZO threshold voltage variation and stress action time during NBIS test； Transfer characteristic curves of （e） a-IGZO and （f） CAAC-IGZO TFTS in NBIS tests； Transient light response curves of a-IGZO and CAAC-IGZO TFT under （g） ultraviolet pulse and （h） continuous ultraviolet light irradiation［33］.

除了電學不穩定性外，光致不穩定性如光致電導變化和持續光電導效應（Persistent Photoconductivity， PPC）是另一個產生不穩定性的重要因素。具體來說，氧化物半導體暴露在光照下時，即使停止光照，光誘導電流也會繼續存在。有分析認為，這種現象是由于光照時氧化物通道中過氧化物的形成［35］或氧空位（VO）的光電離（VO→VO++e-或VO→VO2++2e-）［36］引起的。而光電離氧空位的中和過程需要活化能［37］。因此，多余的光生電子傾向于在通道層中停留較長時間，從而導致持續的高導電性。圖9（g）和圖9（h）分別顯示了脈沖和連續紫外線（UV）光照下隨時間變化的漏極電流變化（ΔI）。無論是何種輸入光，CAAC-IGZO TFT對光的響應都弱于a-IGZO TFT。尤其在脈沖紫外條件下，10次脈沖后a-IGZO TFT的光生電流約為33 μA，CAAC-IGZO TFT的約為0.3 μA。在連續紫外光照射下，ΔI分別約為100 μA和57 μA。這表明CAAC-IGZO TFT能有效地抑制光電流的產生，在光照下表現出較好的穩定性。另外，CAAC-IGZO TFT具有較低的光生電子重組和中和活化能，因而具有較弱的PPC效應。

綜上所述，CAAC-IGZO TFT在電學和光學等環境組合應力條件下，表現出更高的穩定性，這與CAAC-IGZO TFT溝道中含有較少的氧空位相關深能級缺陷態以及CAAC-IGZO薄膜中較低的光生載流子重組和中和活化能相關。

3.4 金屬誘導結晶制備CAAC-IGZO薄膜晶體管

金屬誘導結晶（Metal Induced Crystallization，MIC）是指將非晶半導體與金屬相接觸，從而誘導非晶半導體在極低的溫度下結晶的過程。MIC可以在很大程度上降低非晶半導體薄膜的晶化溫度，為低溫下直接在熱敏基底上制備晶體半導體器件提供了一種全新途徑［38］。MIC過程早期被應用于非晶、納米晶、微晶和多晶形態硅和鍺硅的結晶［39］，隨著研究的深入，被引入誘導金屬氧化物結晶的應用中。其基本過程是：誘導金屬的陽離子將其價電子傳輸到金屬氧化物材料中，通過在固體氧化物晶格中的遷移，暫時破壞金屬—氧鍵（M—O鍵），使［MOx］多面體旋轉并在較低能量的結晶相中與鄰近的［MOx］基團重組鍵［40］。根據系統的不同，陽離子可以有利于或不利于特定晶體相的形成，從而成為一種調節純度和晶體相比的方法。

近年來，不斷有研究人員將金屬誘導結晶和薄膜晶體管的制備聯系起來。最近，Jeong團隊［41］證明了利用金屬鉭（Ta）進行的MIC工藝沉積的非晶半導體在低溫下可以產生高質量的ZnSnO3晶體半導體。隨后，Jeong等人又相繼實現了金屬Ta誘導金屬氧化物IGZO［42］、ZnON［43］和IGO［44］在較低溫度下結晶，并制備得到了性能優越、穩定性高的薄膜晶體管器件。其中，a-IGZO經過Ta誘導結晶過程所得結晶為c軸取向結晶IGZO［45］，具體制備流程如下：首先使用原子比In∶Ga∶Zn=1∶1∶1的靶材在Ar氣氛下濺射沉積15 nm a-IGZO，而后置于400 ℃的O2環境中進行1 h的后退火。然后在形成的a-IGZO薄膜上濺射沉積20 nm Ta薄膜作為結晶誘導層，置于300 ℃的O2環境中后退火處理1 h，實現CAAC-IGZO的誘導結晶。該MIC過程降低IGZO薄膜結晶溫度的主要原因是誘導金屬促成了M—O鍵的斷裂，而后金屬原子In和Ga進行重排和局部擴散。如圖10（a）所示，Ta層向下層IGZO釋放電子，這些電子轉移到M—O鍵的反鍵軌道上，削弱了M—O鍵，在之后的退火中，弱化的M—O鍵可能會斷裂。隨后由于晶態和非晶態IGZO之間吉布斯自由能差異所形成的熱力學驅動力，熱斷裂的M—O鍵重新排列，形成較為穩定的晶態結構［42］。如圖10（b），（c）所示，TEM圖像中出現了明顯的CAAC-IGZO層狀結構，且相較于a-IGZO薄膜，其XRD圖譜出現明顯c軸取向結晶峰。通過Ta誘導結晶制備的CAAC-IGZO TFT整體性能優越，遷移率達到54 cm2/（V·s），開關比約為107［42］，相較于a-IGZO TFT，其在電學性能和器件穩定方面都得到了很大提升。

圖10 （a） Ta金屬層誘導IGZO結晶原理示意圖［42］； （b）包含Ta/IGZO層的閃存器件截面的TEM圖（左圖），IGZO的結晶度在所選區域電子衍射（SEAD）（右圖），FFT（右小圖）；（c） 300 ℃和O2氣氛下退火1 h后CAAC-IGZO和a-IGZO材料在Si上的XRD圖譜［45］。Fig.10 （a） Schematic diagram of IGZO crystallization induced by Ta metal layer［42］； （b） Transmission electron microscopy image of flash memory device containing Ta/IGZO layer （left）， IGZO crystallinity electron diffraction （SEAD） in the selected region （right）， Fast Fourier Transform （FFT）（small right figure）； （c） XRD patterns of CAACIGZO and a-IGZO on Si after annealing at 300 ℃and O2 for 1 h ［45］.

總而言之，金屬誘導結晶過程降低了CAACIGZO的制備溫度，同時提高了器件性能，為在有工藝限制溫度（＜400 ℃）的玻璃和柔性基底上制備高性能CAAC-IGZO TFT提供了新思路。

3.5 CAAC-IGZO薄膜晶體管的應用

由于CAAC-IGZO具有高場效應遷移率和極低的關態電流，CAAC-IGZO TFT在有機發光二極管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）顯示技術中有廣泛的應用。相較于傳統OLED顯示器中使用的低溫多晶硅（Low Temperature Polysilicon， LTPS） TFT，CAAC-IGZO TFT不需要進行激光晶化，因此其顯示器具有高均勻性和高畫質。2022年，Kato等人［46］將Si CMOS和CAACIGZO TFT整體集成，在Si CMOS上制造了驅動電路，使用CAAC-IGZO TFT制造了像素電路，并以高驅動電壓串聯OLED，成功制造了像素密度超過5 000 ppi的OLED顯示器樣機。另外CAAC-IGZO TFT極低的關態電流使得其可以應用于隨機存取存儲器［47］和非易失性觸發器［48］等數字元件的制造，在大規模集成電路（Large Scale Integration，LSI）中有廣闊的應用前景。表1為量產過程中CAAC-IGZO薄膜的制備條件，所得器件遷移率需大于10 cm2/（V·s）［49］。

表1 CAAC-IGZO薄膜的制備工藝參數［18］Tab.1 Preparation conditions for CAAC-IGZO thin film［18］

4 多晶IGZO薄膜晶體管

4.1 六方多晶型IGZO薄膜晶體管

2009年，Nakata團隊［50］利用準分子激光器輻照射非晶態IGZO薄膜，制備了多晶IGZO薄膜晶體管，但其通過激光結晶制備的TFT沒有任何I-V特性，同時沒有詳細鑒定多晶IGZO的結構。Park等人［51］通過射頻濺射法制備了IGZO薄膜，置于300～1 000 ℃的空氣環境中退火。在退火溫度達到800 ℃時，薄膜XRD圖譜出現了六方In2Ga2-ZnO7的結晶峰，表明多晶IGZO的形成。所得六方多晶IGZO TFT器件遷移率為6.16 cm2/（V·s），開關比約為108，與非晶IGZO TFT相比電學性能有所下降。這是由于多晶結構存在較多的晶界散射，載流子在通過晶界的過程中會損失能量，導致器件遷移率下降［52］。但是多晶IGZO TFT的器件穩定性有顯著提升，因為薄膜結晶導致柵極絕緣層和溝道層之間或溝道層本身陷阱密度減小。

由此可見，六方多晶型IGZO薄膜晶體管雖然在器件穩定性上有了顯著提升，但其受到多晶結構的限制較大，器件性能較差，與高性能需求相悖，應用價值較低。

4.2 尖晶石型IGZO薄膜晶體管

尖晶石型IGZO是以尖晶石型ZnGa2O4（GZO）晶體結構為基礎的結晶形態。尖晶石型GZO屬于Fd3m空間群，氧原子呈現變形面心立方堆積，Ga占據八面體空隙位置，Zn占據四面體空隙位置［53-54］。尖晶石型IGZO的基本結構為ZnInxGa2-xO4，相較于GZO，其在八面體位置上有50%的Ga原子被In取代，并且In和Ga原子可以以7種對稱不相等的方式分布在八面體位置上［55］，圖11（a）所示為其中一種尖晶石型IGZO的晶體結構。

圖11 （a）原子比 In∶Ga=1∶1的尖晶石IGZO參考構型，屬于空間群P2221（17），In（粉色）和Ga（綠色）交替占據八面體空隙，Zn（灰色）占據四面體空隙；（b）多晶尖晶石型IGZO TFT結構；（c）左圖為尖晶石型GZO模板和沉積其上IGZO薄膜的TEM截面圖，右圖為各指定區域的FFT變換圖像；（d）左圖分別為尖晶石、500 ℃退火后的尖晶石、非晶和CAAC IGZO TFT的轉移特性曲線，右圖為相應的場效應遷移率［55］。Fig.11 （a） Reference configuration of spinel IGZO with atomic ratio In∶Ga=1∶1， represented in the space group P2221（17），In （pink） and Ga （green） occupy octahedral coordinated sites alternately， Zn （gray） occupies tetrahedral coordinated sites； （b） Polycrystalline spinel IGZO TFT structure； （c） The left image shows the TEM cross-section of the spinel GZO template and the IGZO film deposited on it， the image on the right is the FFT transform image of each specified region； （d） The left figure shows the transfer characteristics of spinel， the spinel with 500 ℃ PDA， amorphous and CAAC IGZO TFT， the graph on the right shows the corresponding field-effect mobility［55］.

尖晶石型IGZO薄膜最早由Shimomura等人［56］制備，通過對非c軸取向的IGZO薄膜（后被證實為nc-IGZO薄膜［18］）進行激光結晶形成尖晶石型IGZO。近年來，為了在保持金屬氧化物薄膜晶體管高遷移率的同時提高器件的穩定性，不同類型IGZO結晶態受到廣泛研究，尖晶石型IGZO也逐漸受到重視。2022年Dekkers等人［55］利用改變襯底溫度（Td）濺射沉積薄膜的方法，在200 ℃的襯底溫度下制備了尖晶石型IGZO與非晶以及CAAC IGZO的混合薄膜。

該方法在沉積過程中不會直接形成尖晶石微晶，而是首先形成原生結晶IGZO薄膜［57］。因此，為了得到不含其他結晶相的尖晶石型IGZO TFT，Dekkers等人利用模板效應，將IGZO薄膜沉積在尖晶石型GZO襯底上。雖然IGZO和GZO之間存在晶格失配，但其容易在GZO模板上生長，并可以保留尖晶石型多晶結構，如圖11（c）所示。而后，將制備得到的多晶尖晶石型TFT（圖11（b））置于500 ℃的O2環境下后退火，所得器件場效應遷移率達到了50 cm2/（V·s），高于a-IGZO TFT（圖11（d））。盡管尖晶石型IGZO具有多晶結構，但相較于六方相，尖晶石相的單晶IGZO具有較小的有效電子質量，因而電子遷移率較大。

綜上，尖晶石多晶型IGZO薄膜晶體管具有較高的遷移率，是制備高性能薄膜晶體管候選材料之一。但是對于尖晶石多晶型IGZO材料的研究尚處于初始階段，其多晶結構中存在的晶界散射以及可靠性等問題還缺乏系統性的研究和討論。

5 其他結晶種類IGZO薄膜晶體管

5.1 納米晶型IGZO薄膜晶體管

納米晶型IGZO（nc-IGZO）是介于單晶和非晶IGZO之間的一種中間態。納米晶型IGZO薄膜由大量納米尺寸的晶體團簇組成，薄膜內部沒有明顯的晶界，具有較穩定的晶體結構［58］。相較于CAAC-IGZO，nc-IGZO晶體團簇尺寸較小，且不具有長程有序結構。2014年Sorida等人［59］發現在常溫下沉積的IGZO薄膜經過450 ℃退火后，薄膜內部存在微小結晶結構，即納米晶型IGZO。而后，Waseda等人［58］對納米晶型IGZO薄膜的結構進行研究，發現nc-IGZO的晶體團簇結構由長程有序的IGZO晶體層狀結構分解而成。薄膜內部的InO6八面體向較小的InO5或InO4轉變，并和（GaZn）O2+三角雙錐形成中程有序的結構，如圖12所示。而后，利用反蒙特卡洛模擬（RMC）計算可以得出nc-IGZO晶體團簇尺寸為1.8 nm。該納米晶簇復雜的結構和不規則的原子排列提高了薄膜對原子重排的彈性，使nc-IGZO薄膜結構更加穩定。隨后研究人員對其在薄膜晶體管應用中的電學性能進行了研究。Kang等人［33］采用射頻濺射法制備了nc-IGZO TFT，器件遷移率為1.3 cm2/（V·s），開關比約為109，器件性能差于a-IGZO和CAAC-IGZO TFT。之后，Obonai等人［60］在室溫下沉積IGZO薄膜，并在沉積過程中改變O2的比例（O2/Ar+O2）。實驗發現隨著O2氣體流量比的增加，納米晶型IGZO沉積的結晶度和c軸對準度都有所提高，薄膜晶體管遷移率也有所提升。在O2氣流量比為50%的條件下，nc-IGZO薄膜晶體管表現出良好的性能，器件場效應遷移率約為20 cm2/（V·s）。然而，Glushkova等人［61］在室溫及O2氣流量比為80%的條件下沉積IGZO薄膜時卻沒有觀察到nc-IGZO的存在，關于nc-IGZO的研究還需深入進行。

圖12 nc-IGZO薄膜晶體結構，其中白色為InOx，條紋為GaOy，灰色為ZnOz，白色橢圓為中程有序團簇結構［58］。Fig.12 Crystal structure of nc-IGZO film， where white is InOx， stripe is GaOy， gray is ZnOz， and white ellipse is mid-range ordered cluster structure［58］.

由此可見，在nc-IGZO薄膜沉積時選擇合適的氧氣流量比例，可以提高薄膜結晶取向的排列有序程度，優化薄膜結晶質量，提升TFT器件性能。此外nc-IGZO能夠在室溫下沉積形成，符合批量生產的要求。但是nc-IGZO的制備和形成條件目前還存在許多爭議，有待進一步研究。

5.2 原生結晶型IGZO薄膜晶體管

在非晶/多晶硅系統的轉變過程中，存在一種非晶和納米晶相混合共存的形態，稱為原生結晶態（protocrystalline），該形態由非晶氫化硅（a-Si∶H）和少量納米晶粒組成［61］。Si∶H生長的原晶形態由薄膜厚度和氫的稀釋率決定［62］。在Si∶H原生結晶中，a-Si∶H的生長占主導地位，但隨著薄膜厚度的增加，轉變為非晶和納米晶的混合相生長［63］。類比原生結晶型Si∶H，原生結晶型IGZO定義為a-IGZO隨著沉積時氧氣比例和沉積厚度的增加而向混合非晶+納米/微晶相演變的生長形態。原生結晶型IGZO僅在中等沉積溫度（Tsub=200 ℃）下形成，如圖13所示。當Td=25 ℃時，薄膜呈非晶形態；隨著Td的提高，薄膜底層開始出現具有層狀結構的納米晶型IGZO；當Td=200 ℃時，CAAC-IGZO開始形成，同時，隨著氧氣比例和薄膜厚度的增加，尖晶石型微晶IGZO逐漸形成，該混合了非晶、納米晶和微晶的形態即為原生結晶；而當Td=300 ℃時，薄膜中的CAAC-IGZO開始占據主導地位。

圖13 原生結晶型IGZO的生長過程［57］Fig.13 Formation process of protocrystalline IGZO ［57］

Glushkova等人［57］通過改變沉積的襯底溫度和氧氣濃度，分別制備了非晶、原生結晶和CAAC型IGZO TFT。相較于a-IGZO TFT的低穩定性和CAAC-IGZO TFT不可兼得的最高性能和最佳穩定性，原生結晶型IGZO TFT在氧氣比例為20%時器件的遷移率為13.5 cm2/（V·s），在PBS和NBS下的開態電壓的偏移分別為0.043 V和-0.215 V，表現出了高性能和良好的穩定性。因此，原生結晶型IGZO是提升薄膜晶體管性能和穩定性重要選擇之一。

6 結論

本文系統介紹了晶態IGZO和其薄膜晶體管的研究進展。闡述了各類晶態IGZO薄膜的結構，分析了晶態薄膜的結構和電學特性的關系，總結了各類晶態薄膜晶體管的制備方法、器件性能和穩定性。總的來說，晶態IGZO TFT相較于a-IGZO TFT具有電子遷移率高、穩定性好、漏電流小等優點。目前，以CAAC-IGZO為主的晶態IGZO TFT在顯示器和大規模集成電路等領域得到了廣泛應用，同時也在新型光電子器件和智能電子設備等領域中有著廣闊的應用前景。

然而，當前對晶態IGZO薄膜晶體管的研究相對較少，為了進一步提高其應用價值，應著重于以下3個方面的研究：

（1）晶態IGZO的制備難度高，需要高溫、高真空等條件，制備過程復雜、成本較高。應著力研究MIC低溫結晶的方法，簡化制備流程。

（2） 對于晶態IGZO的理論研究還相對較少，且表征技術亟待完善。需要進一步探索晶態IGZO的內在機理和性質，完善表征技術，以便更準確地了解其結構、性質和應用特性。

（3） 晶態IGZO的應用范圍還比較有限，需要進一步探索其在新型顯示器、光電器件等領域的應用前景。

因此，需要繼續深入研究晶態IGZO的制備技術、穩定性、表征技術、理論機理和應用前景等方面，進一步完善晶態IGZO TFT性能，拓展其應用領域。