实验室彭俊彪团队提出一种合金电极辅助调控载流子输运行为的策略,实现高迁移率增强型TFT制备

2021-05-19 10

华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室彭俊彪教授团队的宁洪龙研究员、姚日晖副教授和卢宽宽博士等人提出了一种通过多元铜合金电极接触界面自组装可隧穿势垒层增强对高导电性有源层载流子输运行为调控的策略,实现了高性能增强型TFT制备。有望从电极自组装修饰界面的角度,而非单纯的半导体材料开发角度,实现非晶氧化物半导体器件的高迁移率和阈值电压的有效补偿,相关成果以“Alloy-Electrode-Assisted High-Performance Enhancement-Type Neodymium-Doped Indium-Zinc-Oxide Thin-Film Transistors on Polyimide Flexible Substrate”为题目发表在Research上(Research, 2021, 5758435, DOI:10.34133/2021/5758435)。

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研究背景

在薄膜晶体管(Thin Film Transistor, TFT)技术领域,开发高导电极材料和高迁移率半导体材料是实现高分辨、低延迟和大尺寸显示的关键。目前看来,高性能铜合金电极非晶氧化物(Amorphous Oxide Semiconductor, AOS)TFT有望成为下一代显示的主流驱动器件。

但是,铜合金电极高导布线技术面临着低电阻率和高界面结合强度难以兼得的矛盾点。另外,提升单元TFT电学性能的常规手段是从AOS材料的类型、成分和掺杂出发,通过叠层、退火等手段改善载流子在沟道中的传输。AOS接触电极(源漏电极)的研究仅限于导电性的优化、功函数的匹配(形成欧姆接触)和界面元素扩散的影响,而对于接触界面载流子的注入和输运行为的调控缺乏深入的研究和有效的干预手段。另外,虽然导电性好的AOS层利于提高器件迁移率,但沟道过量载流子导致TFT器件阈值电压小于0 V,表现为耗尽型,不利于降低驱动电路的能耗。如何通过电极接触界面的修饰增强对载流子的调控是实现TFT高迁移率和阈值电压补偿的关键。


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研究进展

近期,华南理工大学彭俊彪教授团队为解决铜电极低电阻和高结合强度难以兼得的矛盾,研制了Cr、 Zr共掺杂下的三元铜合金(CCZ)薄膜。通过多元合金元素的交互作用,显著降低了单一元素对Cu织构的影响,且利用合金元素的界面偏聚和氧化作用,在保证Cu合金电极电阻率明显降低的同时,提升了与基板的结合强度,实现了柔性基板上高导高结合强度Cu合金电极。最终,将开发的电极用于稀土钕掺杂氧化铟锌(NdIZO)为有源层的TFT源漏电极(图1)。

如何控制高浓度自由载流子在沟道中的输运是实现TFT器件高迁移率和阈值电压补偿的核心。对于常规的纯铝(Al)或纯铜(Cu)源漏电极,由于与有源层形成单纯的欧姆接触,载流子的注入仅依赖于有源层势垒的调节,因此虽然可以实现器件的高迁移,但功函数匹配关系下,阈值电压为负值,表现为耗尽型。该研究团队通过CCZ电极的成分偏聚和界面反应,在接触界面形成了自组装界面层(图2)。

该界面同时受到栅极电压和源漏电压的调控,当栅压为0 V时,该界面层作为势垒可以有效阻挡自由载流子的注入,实现器件沟道的关断;当栅压为正时,该界面由于两侧的能垒差而实现载流子的隧穿传输,实现器件载流子的高迁移率传输(图3)。这种通过合金成分再分布形成界面自组装可隧穿修饰层的策略,打破了TFT电极仅参与导电的传统印象,为实现高浓度载流子注入和输运的有效调控提供了全新思路。

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未来展望

合金电极由于含有多种合金元素,且不同合金元素的性质存在差异,通过合理地控制合金元素在电极界面处的偏聚和反应,可以起到界面修饰的作用。目前,该团队利用自组装的修饰界面成功实现了对高导电性有源层材料载流子注入和输运的调控功能,通过调节合金成分及含量,有望实现更多的界面行为调控,使电极和半导体层的联系更加紧密,具有重要的研究前景

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作者简介


彭俊彪教授是广东省特聘教授(珠江学者)、973首席科学家,现任华南理工大学材料科学与工程学院院长、发光材料与器件国家重点实验室副主任、广东省光学学会副理事长、广东省材料学会副理事长、教育部材料学部专家委员会委员。彭俊彪教授一直从事有机/聚合物发光和显示材料及相关技术研究。共同研制了全印刷(包括阴极)彩色 OLED显示屏;共同发明了稀土掺杂氧化物TFT材料(Ln-IZO),采用新型氧化物TFT技术实现了全彩色、透明、柔性OLED显示屏。曾获国家自然科学奖二等奖及广东省科技发明一等奖;获授权发明专利50余件,发表研究论文200余篇。


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