【摘 要】
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氧化物半导体因其光学透明、可弯曲和高迁移率等物理特性而在柔性显示和柔性射频等领域有着广阔的应用前景。而受限于柔性衬底较低的工作温度,在低工艺温度下制备高迁移率薄膜晶体管（TFT）就成了本文的研究重点。一方面,虽然早在1968年G.F.Boesen就已经制备出氧化锌（Zn O）TFT,且在之后的研究中Zn O的迁移率可以达到15 cm~2/V·s左右。然而Zn O普遍需要退火才能达到更高迁移率,同时
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氧化物半导体因其光学透明、可弯曲和高迁移率等物理特性而在柔性显示和柔性射频等领域有着广阔的应用前景。而受限于柔性衬底较低的工作温度,在低工艺温度下制备高迁移率薄膜晶体管（TFT）就成了本文的研究重点。一方面,虽然早在1968年G.F.Boesen就已经制备出氧化锌（Zn O）TFT,且在之后的研究中Zn O的迁移率可以达到15 cm~2/V·s左右。然而Zn O普遍需要退火才能达到更高迁移率,同时其迁移率存在随厚度减薄而迅速下降的问题。因此Zn O可应用于柔性TFT,但无法应用于更高性能、更高工艺节点的柔性射频器件。另一方面,最早在2012年N.Münzenrieder就制备出了基于铟镓锌氧化物（IGZO）的柔性射频器件。但是在至今所有基于氧化物半导体的柔性射频工作中,器件的截止频率（f T）仍然在兆赫兹量级,这还无法满足万物互联的高速通讯需求。为了提升射频器件性能,需要采用在低工艺温度下具有更高迁移率的氧化铟锡（ITO）作为沟道材料。最后,目前还没有基于氧化物半导体的柔性混频电路的研究工作。针对这些问题,本文的研究思路为先在Si衬底上制备氧化物TFT以探索最佳材料和电学性能,之后再制备柔性电子器件和电路。本文在基础材料性能、柔性薄膜晶体管、柔性射频器件和柔性混频电路方面详细展开了以下系统研究:一、基于硅衬底的氧化锌薄膜晶体管。采用原子层沉积工艺（ALD）在硅衬底上制备了Zn O TFT,通过调节生长温度和薄膜厚度,使器件实现了优异的电学性能。使用ALD在190℃生长的10 nm厚度Zn O的场效应迁移率(μFE)达到了18.5 cm~2/V·s。对制备完成的器件进行快速退火处理（RTA）处理可以进一步提升电学性能。在350℃真空退火1 min时,器件的μFE大幅提升至43.2 cm~2/V·s,且在20℃到180℃时的高温工作稳定性也有所提升。通过X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和1/f噪声测试手段分析了退火提升电学性能的机理。二、柔性氧化锌薄膜晶体管。本工作在硅衬底Zn O TFT工作基础上制备了柔性Zn O TFT,然而硅衬底上制备器件的工艺并不是完全适用于柔性衬底,需要进行适当改进以制备柔性器件。比如,针对PI在外力或高温作用下易弯曲的问题,需要采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为黏附层将PI固定在硅片上;同时,器件制备过程中采用了140℃的较低工艺温度,并选用在低沉积温度下性能依然优异的氧化铝（Al2O3）替代二氧化硅（Si O2）作为栅介质。制备完成的器件的μFE为13 cm~2/V·s,电流开关比(Ion/Ioff)为1.5×10~8。得益于ALD沉积的高质量Zn O、Al2O3和界面,器件也实现了优异的弯曲稳定性。即使在0.63%的动态弯曲应变下弯曲20万次或在最高达2.08%的静态弯曲应变下,器件的μFE仍为8.9 cm~2/V·s或14.1 cm~2/V·s。最后,详细表征了器件的偏压稳定性和高温稳定性。三、柔性氧化铟锡射频器件和混频电路。为了实现优异的射频和混频性能,射频器件需要具有更高的跨导和更小的寄生效应,这对材料和器件结构都提出了更高的要求。而Zn O必须退火才能进一步提升性能且在厚度减薄时迁移率迅速降低,因此无法满足柔性射频器件的需求。接下来将沟道材料由Zn O转换为ITO,并在沟道变薄、沟长变短和工艺温度降低的基础上,对柔性ITO射频器件展开研究。通过调节磁控溅射沉积ITO的氧分压将其由金属态转变为半导体态。为表征磁控溅射沉积ITO的均一性,制备并表征了四英寸晶圆级ITO TFT阵列。柔性ITO射频器件在160 nm的短沟下实现了26 cm~2/V·s的μFE,同时实现了优异的射频特性,f T达到了破纪录的2.1 GHz,最大振荡频率(fmax)达到了3.7 GHz。详细表征了直流性能和射频性能的弯曲稳定性。本工作还首次基于柔性ITO射频器件搭建了有源混频器,并详细表征了混频特性。以上研究是对氧化物半导体在柔性器件领域的应用扩展,展示了高性能氧化物半导体在柔性显示和高频通信领域的应用潜力。
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