综述：非晶态IGZO薄膜晶体管：材料、器件结构、制备与应用探索

本综述系统梳理了非晶态铟镓锌氧化物(a-IGZO)薄膜晶体管(TFT)的研究进展，从材料分子轨道结构、载流子传输机制到器件设计（包括混合/纳米结构）、制备工艺（真空与溶液法）及多领域应用（从微电子到宏电子）进行全面剖析，为氧化物半导体技术发展提供重要参考。

　　

Abstract

非晶态铟镓锌氧化物（a-IGZO）半导体是当今现代电子学中构建薄膜晶体管（TFT）器件最具竞争力的沟道材料之一。过去二十年间，a-IGZO TFT被广泛研究，其电学、光电和机械性能通过材料设计、器件结构构建和制备工艺工程得到充分优化。所获得的高性能a-IGZO TFT广泛应用于从微电子到宏电子的各个领域。本文从材料、器件结构、制备策略和应用场景等方面综述了a-IGZO TFT的研究与开发进展。首先介绍了a-IGZO半导体材料的主要特性，重点涉及其固有分子轨道结构和载流子传输机制。随后深入讨论了a-IGZO TFT的器件结构，包括传统结构以及近期出现的混合和纳米结构。制备策略分为两类进行讨论：基于真空的制备和溶液处理法。通过文献中的典型例子详细评述了a-IGZO TFT的应用。最后总结了a-IGZO TFT的最新进展，并对该技术的未来发展提出了展望。

材料特性

a-IGZO材料的核心优势源于其独特的电子结构。其导带底由铟（In）、镓（Ga）、锌（Zn）的s轨道重叠形成宽阔的电子路径，即使处于非晶态也能实现较高的电子迁移率（通常>10 cm²/V·s）。这种特性使得a-IGZO在柔性衬底和低温工艺下仍能保持优异性能，远非传统非晶硅（a-Si）可比。载流子传输主要通过氧空位形成的浅能级缺陷态实现，因此材料对氧分压和成分比例（如In:Ga:Zn）极其敏感。

器件结构

a-IGZO TFT的器件结构经历了从底栅顶接触（BGTC）和顶栅底接触（TGBC）等传统构型，向新型混合结构及纳米结构的演进。为提升开关比、稳定性和集成度，研究人员开发了双栅（Dual-Gate）结构以增强栅极调控能力，并引入纳米线/纳米膜等低维形态以改善静电控制和机械柔韧性。这些结构设计有效抑制了短沟道效应，降低了操作电压，扩展了器件在高频和柔性电路中的应用潜力。

制备策略

制备工艺主要分为真空基与溶液法两大路线。真空沉积（如溅射、脉冲激光沉积PLD）可实现高纯度、均匀的薄膜，是当前主流技术；而溶液法（如溶胶-凝胶、喷墨打印）则在大面积、低成本、柔性化制备方面展现出巨大优势，尤其适用于宏电子和可穿戴设备。关键挑战在于溶液法如何精确控制成分结晶性和界面缺陷，以匹配真空工艺的电学性能。

应用场景

a-IGZO TFT已超越传统显示背板（如OLED驱动），向多领域拓展：在微电子中用于高密度存储器（DRAM）和逻辑电路；在宏电子中赋能大面积传感器网络和柔性皮肤；在生物电子中结合电解质栅极开发高灵敏度生物传感器。其低功耗、高透明度和柔韧性契合了物联网、人工智能和健康监测设备对下一代电子元件的需求。

展望

未来研究将聚焦于多元素掺杂（如掺锡、氢）以进一步优化载流子浓度和稳定性，开发异质集成技术以结合不同功能材料，并探索神经形态计算等新兴应用。同时，降低制备成本、提升溶液法工艺成熟度以及解决长期可靠性问题，将是推动a-IGZO技术大规模产业化应用的关键。

Conflict of Interest

作者声明无利益冲突。