薄膜晶体管(TFT)是平板显示器件中显示驱动电路的核心部件。另外，薄膜晶体管在集成电路中也有着广泛的应用，常被用作开关元件或对电子信号进行放大或转换。随着TFT器件尺寸的不断减小，传统的SiO2栅介质材料即将达到其物理厚度的极限，过薄的物理厚度使得SiO2栅介质层的漏电流急剧增大，最终使得SiO2失去绝缘性能。High-K材料在相同等效氧化层厚度（EOT）的情况下具有较大的物理厚度，能够有效抑制直接遂穿，减小漏电流。并且high-k材料能够让TFT在较低的电压下工作，从而有效降低能耗。High-K材料取代SiO2作为新型薄膜晶体管的栅介质层已成必然趋势。然而目前high-k 材料在制备工艺和材料选择上还存在诸多困难，如：有的制备过程对环境要求苛刻（如高真空环境等）导致制备成本太高、有的需要使用对环境有害的有机溶剂、添加剂。另外，high-k材料由于自身的窄带隙和较高的膜内缺陷会导致缺陷介导的电流传输（如Poole-Frenkel效应)，这增加了器件的泄漏电流。
本研究采用环保的水诱导途径来实现稀土元素钆（Gd）掺杂到氧化铪（HfO2）薄膜中，此方法不需要使用任何有害的有机材料，并且制备工艺简单、成本低廉。本研究中通过改变Gd的掺杂比来实现对栅介质薄膜的氧空位含量、能带偏移、界面态密度和介电常数的调节。相对于Hf来说，Gd具有更低的电负性、更低的标准电极电位以及和氧原子间更高的离子键能，能够有效锁住氧原子，减少氧空位的形成，所以它可以作为载流子抑制剂来控制HfO2薄膜中的载流子浓度，从而增强栅介质的绝缘性。
由于Hf 5d与Gd 5d反键态电子的d-d耦合，以及氧空位的减少引起能带中局域态密度的减少，导致HfGdOX薄膜的光学带隙随着Gd的掺杂比增大而增大。高带隙的栅介质在界面处能够形成较大的导带偏移，有利于抑制界面漏电流。
另外，稀土元素Gd的掺入破坏HfO2薄膜中原子排列的长程有序性，抑制HfO2薄膜的晶化，有效缓解因晶界存在造成漏流增大的问题。
Gd掺杂比为15at%时，制备的HfGdOX薄膜具有较高的介电常数值和较低漏流密度（5.8*10-9A/cm2）。以15at%Gd掺杂的HfGdOX薄膜作为栅介质层，以非晶铟镓锌氧（α-IGZO）为有源层制备的α-IGZO/HfGdOX TFT展现出良好的电学性能。其载流子迁移率达到20.1 cm2·V-1·S-1，开关电流比达到108，亚阈值摆幅为0.07V/decade。在时间为7200s的正向偏压测试中，阈值电压偏移小于0.1V。将制备的薄膜晶体管构建成电阻负载型反相器，获得了19.8的高电压增益，并且反相器在不同频率的输入信号下均能保持稳定的工作状态。本研究表明适量稀土元素Gd掺杂的HfGdOX薄膜在高分辨率平板显示器件和大规模集成电路中具有潜在的应用前景。
文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S100503022030236X
终审人：蔡永晨