張立榮,肖文平,謝飛,趙良紅,劉淳,李非凡,左文財(cái),吳為敬*

（1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528300；2.華南理工大學(xué)發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，高分子光電材料與器件研究所，廣東 廣州 510641）

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，柔性薄膜晶體管（Thin film transistor，TFT）技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步。隨著未來(lái)人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的興起，對(duì)柔性電子技術(shù)的需求越來(lái)越大。與非晶硅（a-Si：H）TFT和低溫多晶硅（LTPS）TFT相比，氧化物TFT具有較高性能與較低的成本而受到廣泛的研究［1-7］，如相對(duì)高的載流子遷移率、良好的均勻性和光學(xué)透明度、低工藝溫度、低成本和靈活性［8-13］。在過(guò)去10年中，氧化物TFT技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步［14-17］。在顯示領(lǐng)域中，TFT技術(shù)已經(jīng)是有源矩陣平板顯示器（AM-FPD）如LCD、AMOLED、LED的關(guān)鍵技術(shù)之一［18-20］，由于TFT技術(shù)的不斷成熟，越來(lái)越多的新型顯示技術(shù)，如透明、柔性、高分辨率（8 K）和Micro-LED已經(jīng)進(jìn)入消費(fèi)者的視野中［21-25］，可穿戴設(shè)備、全透明顯示器和柔性電視也已相繼上市并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。此外，TFT集成電路展現(xiàn)出了具有取代傳統(tǒng)硅基互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）芯片的可能性，也引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注［26-29］。盡管氧化物TFT器件的性能和電路結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)CMOS簡(jiǎn)單，但在大面積或柔性基板上，TFT在放大器、振蕩器、逆變器、簡(jiǎn)單邏輯電路和一些數(shù)據(jù)傳輸和接收模塊中的應(yīng)用仍具有前景。此外，一些采用TFT陣列和CMOS芯片組合結(jié)構(gòu)的大面積傳感器系統(tǒng)已經(jīng)被提出，包括光、手指、溫度、壓力、PH值、氣體和生物的傳感器系統(tǒng)［30-33］。

早在2004年，Hoffman等［34］在熱氧化硅襯底上，制造了底柵結(jié)構(gòu)的氧化鋅TFT，實(shí)現(xiàn)了在未加熱的襯底上通過(guò)射頻（RF）濺射沉積氧化鋅（ZnO）靶材，TFT器件的遷移率達(dá)到了25 cm2·V-1·s-1，展示了氧化物TFT具有應(yīng)用于高分辨率顯示的潛力。2005年，F(xiàn)ortunato等［35］在室溫下同樣通過(guò)射頻磁控濺射制作一個(gè)底柵的ZnO-TFT，其遷移率值為20 cm2·V-1·s-1。這些研究表明，可在耐受溫度低的襯底上制作ZnO-TFT，如塑料和金屬箔。隨著TFT的發(fā)展，器件的特征尺寸越來(lái)越小，應(yīng)該考慮TFT的短通道效應(yīng)。Hsieh等［36］在2006年制造了一系列具有不同通道寬度和長(zhǎng)度的ZnO-TFT器件，實(shí)現(xiàn)了具有5μm溝道長(zhǎng)度的TFT，其遷移率大于8 cm2·V-1·s-1，開(kāi)/關(guān)比率高為1×107。同時(shí)，Yabuta等［37］用同樣的方法制備了非晶態(tài)氧化銦鎵鋅（a-IGZO）作為有源層，其遷移率為12 cm2·V-1·s-1，開(kāi)關(guān)比為1×108，亞閾值擺幅為0.2 V·dec-1。Fortunato等［38］報(bào)導(dǎo)了具有更高遷移率100 cm2·V-1·s-1的氧化物TFT。盡管TFT的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但其器件的磁滯效應(yīng)和穩(wěn)定性仍較差。因此，如何進(jìn)一步提高TFT的性能，使TFT進(jìn)一步應(yīng)用于其他相關(guān)領(lǐng)域中有重要意義。有學(xué)者已經(jīng)研究了幾種低溫的工藝方法，而氧化物TFT的溶液法引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的興趣。與濺射加工相比，采用溶液法制備TFTs，不僅可以避免使用昂貴的設(shè)備，而且還可以與噴墨打印和卷對(duì)卷工藝兼容，從而大大地降低了成本。因此，氧化物TFT技術(shù)的研究要關(guān)注器件的各個(gè)方面，以獲得更好的性能，包括材料、結(jié)構(gòu)、工藝、穩(wěn)定性和機(jī)械性能等。

首先介紹了6種基于氧化物的TFT器件結(jié)構(gòu)，包括背道蝕刻（BCE）、刻蝕阻擋結(jié)構(gòu)（ES）、頂柵（TG）、雙柵（DG）、共面（CP）、垂直和混合結(jié)構(gòu)（HS）。然后，介紹了在不同種類(lèi)的柔性襯底上制作柔性氧化物TFT的研究現(xiàn)狀，具體闡述了聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）、聚酰亞胺（PI）等襯底上TFT的研究現(xiàn)狀。最后，對(duì)柔性氧化物TFT的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 金屬氧化物TFT結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

不同的器件結(jié)構(gòu)具有不同的特性和應(yīng)用。傳統(tǒng)的氧化物TFT底柵（BG）結(jié)構(gòu)包括背道蝕刻（BCE）和蝕刻阻擋層（ESL），他們經(jīng)常被用于商業(yè)顯示中。為了減少寄生參數(shù)，設(shè)計(jì)了頂柵（TG）和共面（CP）結(jié)構(gòu)。雙柵（DG）結(jié)構(gòu)可以增加固定尺寸TFT的驅(qū)動(dòng)能力。隨著柔性顯示技術(shù)的出現(xiàn)，對(duì)器件的彎曲次數(shù)和彎曲半徑的不斷提高，水平形狀的溝道很容易被損壞。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究者們?cè)O(shè)計(jì)了垂直結(jié)構(gòu)。然而，上述結(jié)構(gòu)的氧化物TFT只是n型。眾所周知，在集成電路中具有NMOS和PMOS的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，可以獲得高性能和低能耗。因此，制備p型TFT，實(shí)現(xiàn)與n型氧化物TFT的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，已經(jīng)引起了人們的興趣。低溫多晶硅與氧化物混合的（LTPO）TFT，即在同一襯底上有p型LTPS和n型氧化物TFT，可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)結(jié)構(gòu)。利用LTPO結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)和改進(jìn)TFT電路。文獻(xiàn)［39-42］介紹了一些復(fù)雜的LTPO電路，如定時(shí)控制器、普通驅(qū)動(dòng)器、伽馬電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和電源電路等。

目前，文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)研究的氧化物TFT器件有多種，常見(jiàn)的器件結(jié)構(gòu)有BG、TG、DG、CP和HS。BCE結(jié)構(gòu)的器件，由于其制備工藝簡(jiǎn)單、成本低，一般在商業(yè)化中應(yīng)用，如手機(jī)和電視等。由于氧化物半導(dǎo)體材料在大多數(shù)濕法蝕刻和干法蝕刻過(guò)程中都非常敏感，在S/D電極蝕刻過(guò)程中，有可能會(huì)損壞半導(dǎo)體溝道［36］。為了避免這些影響，在工藝過(guò)程中加入了ES層，即在有源層上形成ES保護(hù)層，在S/D電極蝕刻時(shí)保護(hù)溝道。然而，它需要多一道工序，從而增加了成本。TG結(jié)構(gòu)的器件原來(lái)頂部的鈍化層被柵極絕緣體和電極層取代，作用是可以保護(hù)有源層。柵極和S/D電極的重疊電容可以通過(guò)自對(duì)準(zhǔn)柵極的工藝去有效減少，因此可以減少寄生電容引起的延遲。盡管如此，頂部柵極結(jié)構(gòu)TFT的負(fù)偏壓和光照應(yīng)力測(cè)試的穩(wěn)定性仍然需要改進(jìn)。帶有頂柵和底柵的DG結(jié)構(gòu)，通過(guò)頂柵偏壓調(diào)節(jié)溝道載流子的濃度，呈現(xiàn)出更高的性能和穩(wěn)定性。此外，對(duì)TG施加偏壓會(huì)改善TFT的閾值電壓和場(chǎng)效應(yīng)遷移率，降低亞閾值擺幅（SS）。許多文獻(xiàn)對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了報(bào)導(dǎo)，以提高像素電路的補(bǔ)償能力，并在有限的襯底面積上集成了柵極驅(qū)動(dòng)電路和振蕩器［43］。然而，柵極和源漏極電極之間的重疊會(huì)產(chǎn)生寄生電容，使得TFT陣列和集成電路中出現(xiàn)了信號(hào)傳輸?shù)难舆t（RC延遲）。為了減少這種RC延遲效應(yīng)，提高器件的響應(yīng)速度，文獻(xiàn)［102］提出了CP TFT。在CP TFT中，G和S/D電極之間的重疊可以忽略不計(jì)，并且由于柵極和有源層在同一側(cè)，接觸電阻會(huì)減少，因此RC延遲效應(yīng)可以明顯減少。單極性結(jié)構(gòu)即垂直結(jié)構(gòu)，垂直結(jié)構(gòu)有一些其他結(jié)構(gòu)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，如實(shí)現(xiàn)短通道、減少器件面積及抑制柔性襯底中的機(jī)械應(yīng)力。當(dāng)器件溝道在壓縮和拉伸應(yīng)變產(chǎn)生損傷時(shí)，載流子仍然可以在垂直方向上傳輸［44］。這種結(jié)構(gòu)非常適合在柔性襯底上的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)真正的互補(bǔ)CMOS電路，帶有n型TFT和p型LTPS或碳納米管或SnO TFT的HS結(jié)構(gòu)，盡管有復(fù)雜的加工步驟和高成本，還是受到越來(lái)越多的關(guān)注。在TFT電路中采用HS結(jié)構(gòu)，可克服如基板面積、非全擺幅輸出、低噪聲裕度水平和高功率消耗，為在一些特定領(lǐng)域取代傳統(tǒng)的硅基集成電路提供了可能性。圖1為氧化物TFT器件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 氧化物TFT器件結(jié)構(gòu)Figure 1 Typical device configurations of oxide semiconductors

2 柔性金屬氧化物TFT

在使用傳統(tǒng)基底（如玻璃、硅）的情況下不需要考慮工藝溫度、致密性及彎曲應(yīng)變的影響，而在柔性基底上這些因素都必須加以考慮，特別是柔性襯底在每個(gè)加工步驟中的熱膨脹。溫度變化會(huì)導(dǎo)致薄膜和襯底之間的失配，這可能會(huì)降低材料和器件的性能，這種失配是由聚合物襯底和薄膜之間的熱膨脹系數(shù)（CTE）、彈性模量和韌性的差異形成的。圖2為幾種類(lèi)型的聚合物基材［45］。從圖2可見(jiàn)，按聚合物基材最高加工溫度，可分為常規(guī)聚合物（Tg＜100℃）、普通高溫聚合物（100≤Tg＜200℃）和高溫聚合物（Tg≥200℃），其中PI、無(wú)色透明聚酰亞胺（CPI）、聚 醚 醚酮（PEEK）、聚醚 砜 濾 膜（PES）、PEN、PET、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚碳酸酯（PC）是最常用的柔性襯底材料。因此，下面將分別討論柔性氧化物TFT在典型襯底上應(yīng)用的現(xiàn)狀。

圖2 聚合物光學(xué)薄膜分類(lèi)Figure 2 Classification of polymer optical films

2.1 PET襯底金屬氧化物TFT

PET材料表面平滑有光澤，具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能和電絕緣性、良好的光學(xué)透明度和較短的截止波長(zhǎng)，目前被廣泛用作保護(hù)層。然而，PET在高加工溫度下會(huì)失去其透明度和機(jī)械性能，這可能給TFT器件的制造和應(yīng)用帶來(lái)挑戰(zhàn)。在過(guò)去的十年中，關(guān)于在PET上制備氧化物TFT的研究備受關(guān)注，其目的是通過(guò)工藝步驟和器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來(lái)抑制PET中的缺陷。

2004年，Nomura等［46］采用PET襯底在室溫下制作柔性透明的氧化物TFT（見(jiàn)圖3），室溫下用脈沖激光沉積技術(shù)制作的氧化銦錫（ITO）作為透明電極材料，而氧化釔（Y2O3）作為柵極絕緣層，所制器件的遷移率為8.3 cm2·V-1·s-1、開(kāi)關(guān)比為1×103，在30 mm的彎曲半徑下器件性能有細(xì)微變化、穩(wěn)定性較好，使得實(shí)現(xiàn)柔性透明電子電路具有可能性。由于ITO材料電阻率較高、缺乏柔韌性、不易彎曲，使用其作為電極材料會(huì)帶入較大的電阻，但彎曲次數(shù)過(guò)多時(shí)易斷裂。

圖3 全I(xiàn)TO電極的氧化物TFTFigure 3 Oxide TFT with all ITO electrodes

隨著高分辨率柔性顯示器和集成TFT電路的發(fā)展，制作柔性的高遷移率氧化物TFT成為了迫切需要。Han等［47］通過(guò)采用鋁摻雜的ZnO（AZO）作為有源通道層，在室溫下制造了一種柔性BCE結(jié)構(gòu)的TFT，該器件的遷移率可達(dá)21.3 cm2·V-1·s-1、開(kāi)關(guān)比為2.7×107、亞閾值擺幅為0.23 V·dec-1和閾值電壓為1.3 V，但該器件的穩(wěn)定性需要進(jìn)一步提高。Chen等［48］通過(guò)原子層沉積（ALD）工藝，分別把ZnO和Al2O3作為有源層和柵極絕緣層在80、90、100°C溫度下制作TFT器件，該器件具有更高的性能，遷移率為37.1 cm2·V-1·s-1、開(kāi)關(guān)比為1×107、亞閾值擺幅為0.38 V·dec-1和閾值電壓為1.34 V，表現(xiàn)出很好的偏置穩(wěn)定性，但缺彎曲測(cè)試實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

在柔性顯示器、可穿戴電子器件和傳感器領(lǐng)域中，TFT襯底需要具有較好的機(jī)械變形能力，彎曲半徑一般可低于5 mm。因此，柔性器件在彎曲時(shí)的穩(wěn)定性是評(píng)估器件性能好壞的關(guān)鍵指標(biāo)之一。Lee等［49］制備了一個(gè)底柵的柔性透明IGZO TFT，并且在器件頂層鈍化一層厚15 nm的SiOx鈍化層而獲得了更好的性能。對(duì)比沒(méi)有鈍化層和有鈍化層的IGZO柔性TFT的彎曲測(cè)試結(jié)果表明，在彎曲半徑為1.17 cm的情況下，彎曲1500次時(shí)遷移率和閾值電壓的變化分別在10%和8%以?xún)?nèi)。遷移率和閾值電壓的變化主要來(lái)自于兩個(gè)因素：一是，沒(méi)有鈍化層的TFT溝道暴露在環(huán)境中，導(dǎo)致了器件的退化；二是，應(yīng)變效應(yīng)。當(dāng)彎曲TFT時(shí)，來(lái)自機(jī)械變形的應(yīng)力集中在沒(méi)有鈍化層TFT的有源層上，而有鈍化層的器件中則集中在鈍化層上。

除了襯底需要較好的機(jī)械性能外，電極和絕緣層材料需要具備可靠、透明和柔性特性，這才能在真正意義上實(shí)現(xiàn)柔性器件和系統(tǒng)的制備。Kwon等［50］為了在PET襯底上制備TFT，在70℃的低溫下制備了透明和柔性的氧化銦錫（ITO）/銀（Ag）/ITO（IAI）電極及氧化鋁和氧化鎂Al2O3/MgO（AM）疊層絕緣層，IAI的結(jié)構(gòu)優(yōu)化了電極的導(dǎo)電率和機(jī)械性能，而厚40 nm的AM柵極絕緣層是由1 nm的Al2O3/MgO子層交替堆疊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了較好的透明和彎曲的性能。AM層需要更復(fù)雜的ALD工藝步驟來(lái)制備，其交替堆疊柵極絕緣結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 交替堆疊柵極絕緣結(jié)構(gòu)的氧化物TFT［50］Figure 4 Oxide TFT with alternating stacked gate insulation structure

銦（In）是稀有金屬，其價(jià)格昂貴，在地殼中的分布量比較小，且十分分散。隨著液晶顯示器和觸摸屏產(chǎn)品的普及，銦的價(jià)格已經(jīng)上漲數(shù)倍，為了降低成本，在溝道和電極材料中避免摻雜In元素。Rezk等［51］在ZnO薄膜中摻雜Al的濃度為2%—3%，適量的摻雜會(huì)激活ZnO晶格并提高導(dǎo)電性，但過(guò)量摻雜會(huì)破壞ZnO的結(jié)晶度而導(dǎo)致薄膜的導(dǎo)電性下降，最終在PET襯底上制作的摻Al的TFT，其展現(xiàn)出 了較好 的性能，遷移率約為30 cm2·V-1·s-1、開(kāi)關(guān)比為1×107、亞閾值擺幅為0.3 V·dec-1和閾值電壓為1—2 V。

為了克服工藝上的高溫，提高必要的應(yīng)變耐受性，促使柔性TFT器件更加適用于模擬和數(shù)字電路。Divya等［52］采用全印刷的工藝（見(jiàn)圖5），在PET襯底上用In2O3作為有源層并在有源層上制作一層Ag薄膜，ITO作為S/D電極，該器件展現(xiàn)了良好的彎曲機(jī)械特性。由該器件構(gòu)成的反相器，在60 k Hz的頻率下可實(shí)現(xiàn)全擺幅輸出，在300 kHz的頻率下實(shí)現(xiàn)半擺幅輸出。

圖5 全印刷工藝的氧化物TFT［52］Figure 5 Oxide TFT with full inject printing process

如上所述，由于PET基材的工藝溫度極限較低（小于100℃），一般工藝很難在其上沉積出更高質(zhì)量的柵極絕緣層，這仍然是推廣PET的最大障礙。為了TFT技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和獲得更高的器件性能，應(yīng)研究ALD、溶液處理工藝和噴墨打印工藝克服工藝溫度的問(wèn)題，同時(shí)研究開(kāi)發(fā)具有更高工藝溫度的新襯底材料。

2.2 PEN襯底金屬氧化物TFT

PEN薄膜略帶白色，與PET相比，其最高加工溫度更高約為180℃。此外，PEN具有更好的致密性，對(duì)氧氣和二氧化碳有更好的阻隔作用，這使得它在柔性電子技術(shù)應(yīng)用中具有更大的潛力。

Gadre等［53］使用RF濺射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了室溫下在PEN上沉積a-IGZO薄膜，經(jīng)過(guò)6 h氧氣退火和6 h真空退火后，該薄膜具有良好的透光率和優(yōu)良性能。此外，Kim等［54］采用ALD方法，在150℃的生長(zhǎng)溫度（Ts）下沉積了130 nm厚的Al2O3層，用其作為柵極絕緣層并進(jìn)行了彎曲測(cè)試。Marrs等［55］制備了雙有源層結(jié)構(gòu)的氧化物TFT，與單層器件相比，具有這種雙有源層結(jié)構(gòu)的器件在偏置應(yīng)力下表現(xiàn)出更好的性能和穩(wěn)定性，同時(shí)具有較大遷移率和機(jī)械性能。溶液法工藝技術(shù)，因其工藝溫度低且不需要真空沉積技術(shù)就能廉價(jià)制造大面積器件的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于柔性器件的生產(chǎn)中。2013年，Seo等［56］通過(guò)旋涂含有氟化物的水溶液，制備了柔性摻氟的氧化銦鋅（IZO：F）TFT，在200℃下退火2 h后，該器件的遷 移 率 為4.1 cm2·V-1·s-1。Lai等［57］采用溶液法將Al2O3納米顆粒作為a-IGZO TFT的納米復(fù)合電介質(zhì)，與無(wú)機(jī)電介質(zhì)相比，具有納米復(fù)合電介質(zhì)的TFT具有更高的性能，并表現(xiàn)出相對(duì)較高的遷移率5.13 cm2·V-1·s-1。圖6為PEN襯底的氧化物TFT。Chen等則在更低溫度下，在PEN襯底上實(shí)現(xiàn)了溶液法工藝技術(shù)制作氧化物TFT［58］。根據(jù)光學(xué)工程方法，介電層鏡像結(jié)構(gòu)首次被引入到器件工藝上，通過(guò)低折射率的Al2O3（122.6 nm）和高折射率的TiO2（85.1 nm），在120℃下，通過(guò)ALD工藝交替沉積在PEN襯底上，以構(gòu)建鏡像結(jié)構(gòu)的介電層（Dielectric mirrors，DM）。DM層可以實(shí)現(xiàn)光子輻射的反射，減少激光誘導(dǎo)的壓力和PEN襯底因電離而產(chǎn)生的介電性能的變化，并保護(hù)PEN襯底材料。

圖6 PEN襯底的氧化物TFT［55，57］Figure 6 Oxide TFTs on PEN substrate

采用噴墨印刷工藝，在PEN襯底上制作的TFT更具成本優(yōu)勢(shì)。Leppa¨niemi等［59］通過(guò)噴墨印刷和遠(yuǎn)紫外線(xiàn)（FUV）退火工藝制作了In2O3TFT，通過(guò)熱處理及160 nm遠(yuǎn)紫外線(xiàn)曝光，在較低溫度150℃下實(shí)現(xiàn)了噴墨打印層由前驅(qū)體到金屬氧化物的轉(zhuǎn)化，器件具有4.3 cm2·V-1·s-1的飽和遷移率（見(jiàn)圖7）。

圖7 PEN襯底噴墨印刷工藝制備的氧化物T FT［59］Figure 7 Oxide TFT fabricated by inkjet printing process on PEN substrate

相對(duì)PET襯底，PEN襯底具有較好的氣體阻隔性、耐熱性和機(jī)械性能，目前已應(yīng)用于柔性電子電路、柔性顯示等，但大部分在PEN襯底上的氧化物TFT的工藝溫度在150℃以下。要想獲得更高質(zhì)量的薄膜，工藝溫度需要更高，因此需要耐熱性更好的襯底材料。

2.3 PI柔性襯底金屬氧化物TFT

PI基材是高溫聚合物，其表現(xiàn)出卓越的性能，如熱膨脹系數(shù)（CTE）為12×10-6K、濕度膨脹系數(shù)（HEC）約為9×10-6%RH、Tg高達(dá)360℃及表面粗糙度為納米級(jí)別等。雖然標(biāo)準(zhǔn)的PI表現(xiàn)出淡黃色到棕色，但PI是最經(jīng)常使用的一種襯底。

Wu等［60］在PI襯底上制作了具有BCE結(jié)構(gòu)的IZO TFTs。首先在玻璃載體上形成表面隔離層（SIL），然后將聚酰胺酸溶液（PAA）旋涂在載體上，在氮?dú)猸h(huán)境下合成了厚度為15μm的PI薄膜，通過(guò)PECVD工藝在PAA上沉積一層堆疊的SiNx/SiO2（200/100 nm）緩沖層，鉬/鋁/鉬（Mo/Al/Mo，30/100/30 nm）的堆疊柵極通過(guò)直流磁控濺射沉積到緩沖層，隨后又通過(guò)PECVD沉積堆疊的柵極絕緣層（SiNx/SiO2，250/50 nm）。30 nm的IZO有源層通過(guò)RF磁控濺射沉積在柵極絕緣層上，并通過(guò)稀釋的鹽酸進(jìn)行顯影。由C（10 nm，與IZO接觸）/Mo（與IZO接觸）/Mo（200 nm）的堆疊結(jié)構(gòu)，依次形成S/D電極。C膜在Mo膜濕法蝕刻時(shí)被用來(lái)保護(hù)有源層，然后C膜被氧氣等離子體灰化之后，通過(guò)PECVD生長(zhǎng)出厚300 nm的SiO2作為鈍化層。器件在300℃的O2中退火30 min，該器件成功應(yīng)用在高分辨率的柔性AMOLED顯示屏（200（RGB）×600，282 PPI），并且集成了柵極驅(qū)動(dòng)電路（見(jiàn)圖8）。

圖8 具有BCE結(jié)構(gòu)的IZO TFTs［60］Figure 8 IZO TFTs with BCE structure

TFT的磁滯效應(yīng)與TFT的柵介質(zhì)、半導(dǎo)體材料以及兩者之間的界面態(tài)陷阱有關(guān)，TFT的磁滯效應(yīng)會(huì)造成短期殘像，前一幀的圖像往往會(huì)保留在后一幀的圖像中，從而影響顯示品質(zhì)，甚至導(dǎo)致顯示錯(cuò)誤。Wan Jo等［61］通過(guò)在TFT中制作低溫光化學(xué)激活的Al2O3/ZrO2雙層?xùn)艠O絕緣層，實(shí)現(xiàn)了沒(méi)有磁滯效應(yīng)的器件，該器件的遷移率為13.5 cm2·V-1·s-1。

生物傳感系統(tǒng)在腦機(jī)接口、智能感知、生物假體等領(lǐng)域中具有重大應(yīng)用前景。神經(jīng)形態(tài)器件是實(shí)現(xiàn)生物感知功能的基本元件。然而，傳統(tǒng)神經(jīng)形態(tài)晶體管不能彎曲變形，難以與人體密切貼合，限制了神經(jīng)形態(tài)器件應(yīng)用。因此，具有良好彎曲特性的柔性神經(jīng)形態(tài)晶體管的研究成為了最近的研究重點(diǎn)。Tiwari等［62］采用了室溫射頻磁控濺射的方式，制備了氧化銦鎢（IWO）TFT，該器件的遷移率為25.86 cm2V-1·s-1、閾值電壓為-1.5 V、亞閾值擺幅為0.3 V·dec-1、開(kāi)關(guān)比為1×105，該器件可用來(lái)實(shí)現(xiàn)構(gòu)建神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的突觸（見(jiàn)圖9）。

圖9 PI襯底上的IWO TFT［62］Figure 9 IWO TFT on PI substrate

由于銅的電阻率低，其可作為高分辨率、高幀率和大尺寸顯示器TFT陣列中互聯(lián)的最佳材料，以便將信號(hào)傳輸線(xiàn)中的電阻-電容（RC）延遲降到最低，然而實(shí)現(xiàn)銅互聯(lián)也有一些問(wèn)題需要解決，如對(duì)氧化物材料的附著力差和銅原子擴(kuò)散問(wèn)題。Lu等［63］用CuCrZr三元合金作為T(mén)FT的電極材料，摻釹的氧化銦鋅作為有源層（NdIZO），在PI襯底上制作了全銅合金電極的TFT器件，該器件的遷移率為32.1 cm2·V-1·s-1、閾值電壓為0.42 V、亞閾值擺幅為0.16 V·dec-1、開(kāi)/關(guān)比率為1×107。

非晶OS薄膜有許多不同的方法生長(zhǎng)，但為了獲取TFT器件更好的性能，往往在足夠高的溫度下進(jìn)行熱退火，特別是基于ZTO的TFTs，通常需要大于400℃的退火溫度，這樣的溫度使得襯底材料易產(chǎn)生破裂、機(jī)械性能丟失等損傷，因此亟需一種新工藝來(lái)代替熱退火。Lu等［64］利用兩步等離子法替代退火工藝，第一步用高能氬（Ar）等離子體處理有源層，第二步用低能量的Ar和O2等離子體處理有源層，所制作器件的遷移率為13.2 cm2·V-1·s-1、閾值電壓為3.7 V、亞閾值擺幅為0.5 V·dec-1、開(kāi)/關(guān)比率為1.15×108。

溶液法工藝也經(jīng)常用于PI襯底的TFT制作。Park等［65］在PI襯底上，在200℃下利用富氧連續(xù)退火的有效溶膠-凝膠溶液法工藝制備了高介電常數(shù)（k）的二氧化鋯（ZrO2）電介質(zhì)和IGZO半導(dǎo)體薄膜，所制 作 器 件 的 遷移率 為13.6 cm2·V-1·s-1、開(kāi)/關(guān) 比率為1×106、漏電流為2.7×10-11A。圖10為基于溶膠-凝膠的IGZO和ZrO2膜組成的柔性氧化物TFT的制造工藝流程示意圖。

圖10 基于溶膠-凝膠氧化物TFT的制造工藝的流程示意圖Figure 10 Flow chart of the sol-gel oxide TFT-based manufacturing process

目前，許多氧化物半導(dǎo)體如n型銦鎵鋅氧化物（IGZO）、氧化鋅（ZnO）和氧化錫（SnO2）、p型氧化錫（SnO）、氧化銅（CuO或Cu2O）、鎳氧化物（NiO），都被國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)企業(yè)所廣泛研究。Hsu等［66］在柔性襯底制作了p型氧化物TFT器件，其遷移率為1.6 cm2·V-1·s-1、閾值電壓為2.8 V、亞閾值擺幅為2.3 V·dec-1、開(kāi)關(guān)比大于1×103，該器件的結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。

圖11 P型SnO TFT的結(jié)構(gòu)圖Figure 11 Structure of p-type SnO T FT

對(duì)于柔性電子技術(shù)的發(fā)展，要求TFT器件具有更好的性能，特別是互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的器件。因此，開(kāi)發(fā)出有良好電氣穩(wěn)定性的高性能互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）結(jié)構(gòu)的TFT至關(guān)重要。Hsu等［67］在PI柔性襯底上制作了互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的氧化物TFT，包括n型頂柵的IGZO TFT和p型底柵的SnO TFT。由互補(bǔ)型的TFT構(gòu)成的反相器實(shí)現(xiàn)了出色的直流電壓增益，在機(jī)械彎曲應(yīng)力下表現(xiàn)出穩(wěn)定的性能。除了全氧化物TFT互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，最近幾年由低LTPS TFT和氧化物TFT組成的LTPO技術(shù)受到追捧，LTPO既有LTPS TFT的高遷移率的優(yōu)點(diǎn)，又有氧化物TFT漏電流小的優(yōu)勢(shì)。LTPO在2018年被蘋(píng)果公司應(yīng)用于其產(chǎn)品Apple Watch S4上，隨后在2019年的SID會(huì)議上蘋(píng)果公司首次介紹了此概念。一般采用氧化物TFT作為補(bǔ)償電路中的開(kāi)關(guān)TFT，以實(shí)現(xiàn)超低刷新率（LRR）驅(qū)動(dòng)（如1 Hz），以此獲得低功耗，同時(shí)避免出現(xiàn)任何閃爍。在PI襯底上制作柔性LTPO也同樣備受關(guān)注。目前，報(bào)導(dǎo)的柔性LTPO器件（見(jiàn)圖12），其結(jié)構(gòu)基本相同，均為先制作多晶硅有源層和柵極，再制作氧化物的有源層和柵極，最后S/D用同一種金屬制作。文獻(xiàn)

圖12 LTPOs的結(jié)構(gòu)圖［68-71］Figure 12 Structure of LTPOs

［68-70］所報(bào)道的柔性LTPO的結(jié)構(gòu)及制作工藝步驟基本相同，器件性能也類(lèi)似；文獻(xiàn)［71］報(bào)道的柔性LTPO制作工藝做了一些改進(jìn)，把LPTS TFT的源極與IGZO TFT的漏極連在一起，這樣不用增加全局總線(xiàn)走線(xiàn)的高度，不用增加多一層金屬。

與傳統(tǒng)氧化物TFT相比，LTPO不僅可以避免高漏電流、低驅(qū)動(dòng)電流和低增益，而且還可以構(gòu)成數(shù)據(jù)處理器或其他更復(fù)雜的電路，特別是在大面積集成和柔性電子的應(yīng)用上。因此，LTPO在一些模擬或者數(shù)字集成電路可完全替代硅基的集成電路。

3 總結(jié)與展望

氧化物TFT可以在剛性襯底（如玻璃、金屬箔）或柔性基底（如PI、PEN和PET）等上制備，使得氧化物TFT成為柔性應(yīng)用中最受歡迎的TFT技術(shù)之一。本綜述主要關(guān)注了采用低溫工藝的氧化物TFT和LTPO技術(shù)的最新進(jìn)展，特別強(qiáng)調(diào)了在PI、PEN、PET襯底上制作的TFT器件及其性能優(yōu)化（表1）。

表1 不同襯底的柔性氧化物TFT性能參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of flexible oxide TFTs with different substrates

過(guò)去10年間，柔性氧化物TFT的性能已逐步得到提高，用ALD工藝提升薄膜的一致性、均勻性、厚度、成分等，從而提高器件的穩(wěn)定和遷移率；通過(guò)對(duì)溝道材料摻雜不同的元素，如鎳、稀土元素等，改善溝道載流子的傳輸；通過(guò)改善接觸電極材料的電阻值和粘附性，改善電極與溝道材料接觸面載流子的注入和運(yùn)輸，提升器件的遷移率。迄今為止，仍有許多挑戰(zhàn)阻礙了其商業(yè)化的發(fā)展，包括穩(wěn)定性、可靠性、大面積的均勻性。穩(wěn)定性意味著在柔性器件上經(jīng)過(guò)多少次彎曲循環(huán)后，仍能保證器件性能。可靠性意味著柔性器件可以承受不利的環(huán)境程度和條件，如機(jī)械應(yīng)力、濕度、高溫和低溫。均勻性是指在不同區(qū)域的柔性TFT隨著彎曲位置、彎曲曲率不同出現(xiàn)衰減的程度，從而不會(huì)影響整體的性能。因此，提升器件的穩(wěn)定性、性能和壽命，降低成本，將是柔性TFT研究的重點(diǎn)。