《Surfaces and Interfaces》：通过光子烧结轻松修复溶液处理的In-Ga-Zn-O薄膜晶体管中的界面缺陷（IF=6.256）

背景：

我们介绍了光子烧结作为一种通用且经济高效的界面处理方法，用于溶液处理的In-Ga-Zn-O薄膜晶体管，重点研究其提高操作稳定性的潜力。我们制造了溶液处理的基于IGZO的薄膜晶体管(IGZO-TFT)，并系统地研究了IPL发射次数对决定器件电气特性的关键参数的依赖关系。在相同的正偏压应力(PBS)条件下，我们将经过约5分钟IPL退火处理的IGZO-TFT的操作稳定性与经过2小时传统高温热处理的IGZO-TFT进行比较，结果发现IPL退火的IGZO-TFT表现出卓越的稳定性，并且阈值电压偏移显著抑制了约22%（从3.31到2.58V）。为了获得更深入的见解，我们采用了光激发电荷收集光谱分析，该分析提供了氧空位和氢相关界面缺陷状态（位于2.1~2.5eV处，低于导带最小值2.79eV附近）快速恢复的定量证据，影响了器件的运行稳定性。我们的研究结果强调了IPL退火相对于耗时的热处理的技术优势，使其成为优化IGZO-TFT性能的有前途的方法。

文献介绍：

最近的显示技术已朝着具有大面积、高分辨率、高帧率和高色纯度的下一代超高清(UHD)显示器的方向发展。为了实现此类显示器的稳定运行，显示面板中的薄膜晶体管(TFT)的有源通道层需要具有大面积均匀性和高场效应迁移率。长期以来，非晶硅(a-Si)或多晶硅(poly-Si)一直被认为是大面积TFT阵列有源通道层的合适候选材料。然而，由于非晶硅或多晶硅的固有特性，此类材料在大面积显示器上的商业应用受到严重限制。例如，虽然a-Si很容易实现大面积均匀性，但由于定向sp3杂化轨道特性导致固有的悬空键和各向异性载流子传输路径，a-Si基TFT的场效应迁移率受到严重限制。另一方面，多晶硅（poly-Si）已被用作商用中小型高分辨率显示器的TFT背板有源通道层，与非晶硅相比，其迁移率更佳。然而，尽管基于多晶硅的TFT具有良好的电气性能，但由于多晶硅通道层晶粒尺寸不均匀导致面积均匀性较差，因此仍然难以应用于大面积显示技术。非晶氧化物半导体（AOS）是最有希望的通道材料候选材料之一，它可以同时满足大面积均匀性和高场效应迁移率的要求。由于AOS的导带底由来自后过渡金属阳离子的大量分散的（n-1）d10ns0轨道（n≥4）组成，即使在有利于大面积均匀性的非晶相中，迁移率也可以足够高，使其在TFT背板中成功实现商业化，用于大面积和高分辨率显示应用。此外，AOS的宽带隙增强了可见透明度并降低了关态电流，从而分别导致高孔径比和低功耗。

到目前为止，大多数关于下一代TFT背板的研究都采用了真空沉积的AOS有源层。在这种情况下，通常需要超过300℃的高温退火工艺，持续1小时以上才能形成合格的通道。这严重限制了这些器件在柔性和可卷曲显示器上的应用，因为它们需要低温制造工艺。因此，为了解决这一问题，人们开展了多项关于氧化物TFT背板低温溶液工艺的研究。尽管氧化物TFT的高场效应迁移率和开/关比等静态性能已通过溶液工艺实现，但与真空工艺器件相比，其对于工业应用至关重要的操作稳定性仍然受到严重阻碍。特别是，由于沟道/介电界面陷阱态对于操作稳定性至关重要，因此在溶液工艺氧化物TFT中强烈需要简便的界面处理工艺。最近，已有多项关于通过强脉冲光(IPL)工艺在低温下快速退火器件的溶液基氧化物TFT的报道。虽然传统的深紫外退火方法可以在150℃下对氧化物有源层进行退火，但器件退火时间较长（约2小时），并且该工艺必须在无氧、无湿气的N2环境中进行。相比之下，在IPL工艺中，最高工艺温度达到约212℃（图S1），略高于紫外处理。但是，该工艺时间较短，不到5分钟，并且可以在环境空气中进行，而不需要N2环境。因此，可以说该工艺更加简便且经济高效。然而，由于缺乏适当的方法，很少有人研究其对器件稳定性的影响，尤其是深入的界面缺陷分析。

我们报道了IPL处理对沟道和介电层之间的界面陷阱态密度（DOS）的影响，而界面陷阱态密度决定了溶液处理的In-Ga-Zn-O（IGZO）TFT的工作稳定性。采用一系列IPL照射制备了溶液处理的IGZO-TFT，以探索它们对器件性能的影响。随后，进行了系统的研究以阐明IPL处理的关键工艺参数，这些参数显著影响器件的电特性。通过比较经IPL和传统高温热退火处理的氧化物TFT中Vth相对于正偏压应力（PBS）时间的变化，IPL处理的器件表现出比热处理器件更显著的工作稳定性。为了揭示IPL处理过的器件工作稳定性显著提高的背后原因，使用光激发电荷收集谱（PECCS）分析进行了细致的检查。这项分析旨在揭示IPL和热退火工艺对栅极绝缘体/通道界面附近的状态密度的复杂影响。通过探索状态密度，我们深入了解了通过IPL处理实现卓越性能和稳定性的机制。通过深入应用PECCS分析，我们的调查发现了一个令人信服的发现：IPL工艺在不到5分钟的极短时间内被证明能够非常有效地抑制界面氧/氢相关缺陷。相比之下，在经过2小时的传统热退火工艺的器件中，缺陷仍然存在。这一结果强调了IPL处理在快速缓解这些关键缺陷方面的卓越效率，进一步凸显了其作为热退火方法的省时、高效替代方案的潜力。

引用：https://doi.org/10.1016/j.surfin.2023.103751 

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