镧系元素掺杂IZO半导体靶材溅射薄膜作为高迁移率薄膜晶体管沟道层的研究

为解决IGZO基TFTs电子迁移率不足(<20 cm2/V·s)难以满足8K AMOLED需求的问题，研究人员通过缺陷工程烧结制备Pr/Nd/Tb掺杂IZO靶材，并溅射获得非晶态沟道薄膜。结果表明：PrIZO靶材密度达99.7%、晶粒尺寸2.6 μm，其TFT器件实现25.9 cm2/V·s迁移率和0.8 V阈值电压，PBS测试下ΔVth仅1.0 V。该研究为高性能MO-TFTs材料开发提供了新策略。

　　

在显示技术快速发展的今天，金属氧化物薄膜晶体管(MO-TFTs)因其高电子迁移率和低温加工特性成为新一代显示器的核心元件。然而，商用IGZO材料面临根本性瓶颈——其电子迁移率通常低于20 cm²/V·s，难以满足8K超高清显示对30 cm²/V·s以上的需求。更棘手的是，高导电性的IZO材料虽具备60 cm²/V·s的理论迁移率，却因氧空位(V_O)导致的阈值电压漂移问题严重影响器件稳定性。如何突破"高迁移率-高稳定性"难以兼得的矛盾，成为学术界与产业界共同关注的焦点。

针对这一挑战，郑州大学材料科学与工程学院Bingxue Han、Hua Xu等研究团队在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》发表创新研究。他们另辟蹊径地选择镧系元素(Pr/Nd/Tb)掺杂IZO体系，通过精准调控靶材微观结构，成功制备出兼具高迁移率和优异稳定性的TFT器件。这项研究不仅揭示了稀土掺杂对靶材致密化行为的原子尺度机制，更建立了"靶材-薄膜-器件"性能传递的完整理论框架。

研究团队采用三项关键技术：首先通过第一性原理计算预测PrInO₃/NdInO₃/TbInO₃相形成能；其次采用缺陷工程烧结工艺制备相对密度>99%的RE-IZO靶材；最后通过优化射频磁控溅射参数(80 W功率，0.35 Pa工作压力)沉积200 nm非晶薄膜。所有TFT器件均采用背沟道刻蚀(BCE)结构，栅介质厚度200 nm，并通过Keithley 4200A分析仪测试电学性能。

3.1 相形成能计算与验证

通过密度泛函理论计算发现，PrInO₃和NdInO₃的形成能(0.322 eV和0.470 eV)显著低于TbInO₃(0.511 eV)。实验证实该预测：XRD与EDS显示PrIZO/NdIZO靶材中分别存在PrInO₃/NdInO₃第二相，而TbIZO靶材仅含In₂O₃和Zn₃In₂O₆两相。这种差异源于Pr³⁺/Nd³⁺与In³⁺的离子半径失配度(23.75%/22.5%)远高于Tb³⁺(15%)。

3.2 靶材微观结构调控

第二相的存在显著影响靶材性能：PrIZO和NdIZO靶材因PrInO₃/NdInO₃钉扎效应获得2.6 μm和3.9 μm的超细晶粒，相对密度达99.7%/99.8%，电阻率仅2.2/5.2 mΩ·cm。而缺乏第二相的TbIZO靶材晶粒粗大(4.4 μm)，密度降至95.1%，电阻率升至8.1 mΩ·cm。XPS分析进一步揭示TbIZO靶材氧空位浓度高达25.41%，显著高于PrIZO(22.90%)和NdIZO(22.07%)。

3.3 薄膜与器件性能

溅射获得的RE-IZO薄膜均呈现非晶结构，表面粗糙度<0.3 nm，可见光透过率>87.6%。值得注意的是，NdIZO薄膜展现出最佳的化学计量比保持性(In/Zn=0.97)，其TFT器件表现出最优的偏压稳定性：在正偏压应力(PBS)测试中阈值电压漂移仅0.6 V，优于PrIZO(1.0 V)和TbIZO(1.8 V)。而PrIZO基TFT则创下25.9 cm²/V·s的迁移率记录，开关比达10⁹，亚阈值摆幅低至0.18 V/dec。

这项研究通过多尺度表征揭示了"靶材致密化-薄膜缺陷调控-器件性能优化"的内在关联规律：Pr/Nd掺杂通过形成高能垒的第二相抑制晶界迁移，进而提升靶材密度(>99%)；高密度靶材又保障了薄膜的元素均匀性和低氧空位浓度(<24.68%)，最终实现TFT器件迁移率(>21 cm²/V·s)与稳定性(ΔV_th <1.8 V)的协同提升。相比传统溶液法制备的Ln:IZO器件，该研究采用的靶材溅射路线更符合工业化生产需求，为开发下一代超高清显示技术提供了切实可行的材料解决方案。特别值得注意的是，研究发现靶材性能与器件表现存在明确的正相关关系——性能最优的PrIZO靶材对应最佳的TFT器件性能，这一规律为未来MO-TFTs材料的理性设计提供了重要指导。