低成本的溶膠-凝膠法制備高性能Ca-IZO薄膜的新方法

01引言

目前，基于薄膜晶體管（TFT）的固態電路廣泛應用于顯示器、大型傳感器和電子皮膚等領域，這些領域難以通過傳統的基于硅的芯片實現。最近，包括IZO在內的非晶氧化物在TFT應用中表現出優異的特性，具有良好的透明性。此外，它可以通過溶膠-凝膠法制備，可用于可印刷TFT 的制造。這種方法完全符合未來通用物聯網（IoT）電路的低成本需求。 本文介紹了如何通過向銦鋅氧（InZnO）中摻雜強還原性元素來實現高性能的溶液加工薄膜晶體管。在本文中，您將了解不同摻雜濃度的鈣摻雜對基于In-Zn-O氧化物的薄膜晶體管（Ca-IZO TFT）的影響。

02成果簡介

本文通過鴻之微第一性原理量子輸運計算軟件Nanodcal進行理論計算并結合后續的實驗測試，揭示了鈣摻雜對Ca-IZO TFT性能的影響，并提出了一種低成本的溶膠-凝膠法制備高性能Ca-IZO薄膜的方法。 文章主要介紹了如何通過向銦鋅氧（InZnO）中摻雜強還原性元素來實現高性能的溶液加工薄膜晶體管。文章首先介紹了薄膜晶體管（TFT）在顯示器、大型傳感器和電子皮膚等領域的廣泛應用，以及傳統基于硅的芯片難以實現這些領域的需求。隨后，文章介紹了非晶氧化物在 TFT應用中表現出優異的特性，包括良好的透明性和可用于可印刷TFT的制造。這種方法完全符合未來通用物聯網（IoT）電路的低成本需求。 接下來，文章介紹了鈣摻雜對Ca-IZO TFT性能的影響。通過理論計算和實驗研究，文章揭示了不同摻雜濃度的鈣摻雜對基于In-Zn-O氧化物的薄膜晶體管（Ca-IZO TFT）的影響。首先，文章介紹了鈣摻雜對IZO帶隙的影響。隨著鈣摻雜濃度的增加，IZO帶隙逐漸擴大。此外，低濃度的鈣摻雜不會顯著降低載流子密度和遷移率。

接著，文章介紹了通過低成本的溶膠-凝膠法制備高性能Ca-IZO薄膜的方法。實驗結果表明，當鈣的摩爾比為3%時，可以獲得最佳的Ca-IZO TFT器件。這種輕微摻雜的In-Zn-O TFT表現出高的開關比約為10^6，高場效飽和遷移率為1.4cm^2/Vs，以及正的閾值電壓（Vth）為7.7V。 文章還介紹了實驗過程中使用的材料和設備，包括銦鋅氧（InZnO）前體溶液的制備、鈣摻雜的方法、薄膜晶體管的制備和測試等。文章還詳細介紹了理論計算的方法和實驗測試的結果，包括X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）和光學顯微鏡等。

03圖文導讀

圖1（a）金屬前驅體在溶劑中混合（b）穩定的溶膠溶液形成（c）通過自旋鍍膜工藝沉積Ca-IZO薄膜（d）獲得的Ca-IZO·TFT結構示意圖

圖2（a）ZnO（b）IZO(c)16.67% Ca摻雜的 IZO(d)33.33% Ca摻雜的IZO超晶胞的晶體結構。百分比表示Ca原子數占Ca、In 和 Zn原子總數的比例。

圖3 IZO和不同摻雜濃度的Ca-IZO的(a)能帶結構與(b)禁帶寬度

圖4 (a)IZO和(b)Ca-IZO的超晶胞示意圖，(c)IZO和(d)Ca-IZO的載流子分布示意圖

圖5 Ca-IZO的AFM結果

圖6 不同Ca摻雜量Ca-IZO TFT器件的Id-Vg特性，漏極電壓為(a)10V（b）40V

圖7 (a)不同Ca摻雜濃度的Ion/Ioff和Vth(b)遷移率隨Ca摻雜濃度的變化

圖8 Ca摻雜量為3%時Ca-IZO TFT的(a)Id-Vg特性(b)Id-Vd

04小結

總的來說，本文章通過理論計算和實驗研究，揭示了鈣摻雜對Ca-IZO TFT性能的影響，并提出了一種低成本的溶膠-凝膠法制備高性能Ca-IZO薄膜的方法。這種方法可以用于可印刷TFT的制造，完全符合未來通用物聯網（IoT）電路的低成本需求。該項研究成果對于TFT應用的發展具有重要的意義。

審核編輯：劉清