低成本的溶胶-凝胶法制备高性能Ca-IZO薄膜的新方法

01 引言

目前，基于薄膜晶体管（TFT）的固态电路广泛应用于显示器、大型传感器和电子皮肤等领域，这些领域难以通过传统的基于硅的芯片实现。最近，包括IZO在内的非晶氧化物在TFT应用中表现出优异的特性，具有良好的透明性。此外，它可以通过溶胶-凝胶法制备，可用于可印刷TFT 的制造。这种方法完全符合未来通用物联网（IoT）电路的低成本需求。   本文介绍了如何通过向铟锌氧（InZnO）中掺杂强还原性元素来实现高性能的溶液加工薄膜晶体管。在本文中，您将了解不同掺杂浓度的钙掺杂对基于In-Zn-O氧化物的薄膜晶体管（Ca-IZO TFT）的影响。

02 成果简介

本文通过鸿之微第一性原理量子输运计算软件Nanodcal进行理论计算并结合后续的实验测试，揭示了钙掺杂对Ca-IZO TFT性能的影响，并提出了一种低成本的溶胶-凝胶法制备高性能Ca-IZO薄膜的方法。 文章主要介绍了如何通过向铟锌氧（InZnO）中掺杂强还原性元素来实现高性能的溶液加工薄膜晶体管。文章首先介绍了薄膜晶体管（TFT）在显示器、大型传感器和电子皮肤等领域的广泛应用，以及传统基于硅的芯片难以实现这些领域的需求。随后，文章介绍了非晶氧化物在 TFT应用中表现出优异的特性，包括良好的透明性和可用于可印刷TFT的制造。这种方法完全符合未来通用物联网（IoT）电路的低成本需求。 接下来，文章介绍了钙掺杂对Ca-IZO TFT性能的影响。通过理论计算和实验研究，文章揭示了不同掺杂浓度的钙掺杂对基于In-Zn-O氧化物的薄膜晶体管（Ca-IZO TFT）的影响。首先，文章介绍了钙掺杂对IZO带隙的影响。随着钙掺杂浓度的增加，IZO带隙逐渐扩大。此外，低浓度的钙掺杂不会显著降低载流子密度和迁移率。

接着，文章介绍了通过低成本的溶胶-凝胶法制备高性能Ca-IZO薄膜的方法。实验结果表明，当钙的摩尔比为3%时，可以获得最佳的Ca-IZO TFT器件。这种轻微掺杂的In-Zn-O TFT表现出高的开关比约为10^6，高场效饱和迁移率为1.4cm^2/Vs，以及正的阈值电压（Vth）为7.7V。 文章还介绍了实验过程中使用的材料和设备，包括铟锌氧（InZnO）前体溶液的制备、钙掺杂的方法、薄膜晶体管的制备和测试等。文章还详细介绍了理论计算的方法和实验测试的结果，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和光学显微镜等。

03 图文导读

图1（a）金属前驱体在溶剂中混合（b）稳定的溶胶溶液形成（c）通过自旋镀膜工艺沉积Ca-IZO薄膜（d）获得的Ca-IZO·TFT结构示意图

图2（a）ZnO（b）IZO(c)16.67% Ca掺杂的 IZO(d)33.33% Ca掺杂的IZO超晶胞的晶体结构。百分比表示Ca原子数占Ca、In 和 Zn原子总数的比例。

图3 IZO和不同掺杂浓度的Ca-IZO的(a)能带结构与(b)禁带宽度

图4 (a)IZO和(b)Ca-IZO的超晶胞示意图，(c)IZO和(d)Ca-IZO的载流子分布示意图

图5 Ca-IZO的AFM结果

图6 不同Ca掺杂量Ca-IZO TFT器件的Id-Vg特性，漏极电压为(a)10V（b）40V

图7 (a)不同Ca掺杂浓度的Ion/Ioff和Vth(b)迁移率随Ca掺杂浓度的变化

图8 Ca掺杂量为3%时Ca-IZO TFT的(a)Id-Vg特性(b)Id-Vd

04 小结

总的来说，本文章通过理论计算和实验研究，揭示了钙掺杂对Ca-IZO TFT性能的影响，并提出了一种低成本的溶胶-凝胶法制备高性能Ca-IZO薄膜的方法。这种方法可以用于可印刷TFT的制造，完全符合未来通用物联网（IoT）电路的低成本需求。该项研究成果对于TFT应用的发展具有重要的意义。

审核编辑：刘清