【国际论文】韩国庆北大学：Ga₂O₃钝化诱导二维电子气增强 SnO₂ 薄膜晶体管的迁移率与偏压稳定性

        由韩国庆北大学的研究团队在学术期刊 Materials Today Advances 发布了一篇名为 Enhanced mobility and bias stability of SnO₂ thin-film transistors enabled by Ga₂O₃ passivation-induced two-dimensional electron gas（Ga₂O₃ 钝化诱导二维电子气增强 SnO₂ 薄膜晶体管的迁移率与偏压稳定性）的文章。

        薄膜晶体管（TFT）是控制有源矩阵显示器（如有机发光二极管（OLED）显示器和液晶显示器（LCD））中每个像素的关键元件。低温制备的非晶相氢化硅（a-Si:H）薄膜晶体管和多晶硅（poly-Si）薄膜晶体管已被广泛应用。然而近几十年来，金属氧化物基 TFT 作为主动矩阵显示器的基础元件崭露头角，并取代了前代产品——其场效应迁移率高于非晶态氢化硅，漏电流低于低温多晶硅（poly-Si）。此外，其较大的光学带隙赋予了材料透明特性，使其在透明电子器件领域展现出广阔前景。因此，基于金属氧化物的 TFT 正被广泛探索应用于下一代显示器、可卷曲及柔性电子设备领域。

        历史上，ZnO 和 In₂O₃ 曾作为 TFT 的活性沟道层被深入研究。相比之下，SnO₂ 具有显著优势： SnO₂ 的本征载流子迁移率和透明度均高于 ZnO 或 In₂O₃。此外，SnO₂ 熔点更低，意味着实现高结晶度所需的烧结温度低于 ZnO 和 In₂O₃。这为 SnO₂ 实现低温加工提供了关键优势。根据美国地质调查局数据，2024 年全球铟（In）、锌（Zn）和锡（Sn）精炼产量分别为约 990 吨、12,000 吨和 290,000 吨。这种供应差距进一步推动了在器件应用中替代铟和锌的进程。

        本研究提出一种通过溶胶-凝胶工艺制备 SnO₂ 薄膜晶体管（TFT）的方法，该方法兼具高性能与电学稳定性。通过在 SnO₂ 活性沟道层上引入溶胶-凝胶工艺处理的 Ga₂O₃ 钝化层，有效解决了偏压不稳定问题。Ga₂O₃ 薄膜通过补偿悬键并隔绝 H₂O/O₂ 对沟道的侵蚀实现背沟道钝化，从而提升偏压稳定性。系统性分析了结构、光学、化学及器件级特性：当 Ga₂O₃ 沉积于 SnO₂ 时，电子重新分布以维持热平衡，并被限制在 SnO₂ 势阱中形成准二维电子气，从而提升自由载流子浓度。该效应使场效应迁移率提升 1.5 倍（从约 10 cm²/Vs 增至约 15 cm²/Vs），同时改善偏压稳定性。所提出的 SnO₂–Ga₂O₃ 钝化方法为实现偏压稳定的高性能金属氧化物薄膜开辟了前景广阔的途径，可应用于薄膜晶体管、太阳能电池、透明导电电极及电阻式随机存取存储器（ReRAM）。

        ● 引入溶胶-凝胶法处理的 SnO₂/Ga₂O₃ 异质结构用于金属氧化物薄膜晶体管。

        ● 沉积的 Ga₂O₃ 薄膜有效钝化了 TFT 的背沟道，从而提升了 TFT 的偏压稳定性。

        ● 由于 Ga₂O₃ 较低的工作函数，在 SnO₂ 势阱中形成了准二维电子气。

        ● 载流子浓度的提升同时增强了场效应迁移率。

        本研究通过在溶胶-凝胶工艺制备的 SnO₂ 薄膜晶体管中引入 Ga₂O₃ 钝化层，成功实现了金属氧化物薄膜晶体管的高性能与电学稳定性双重提升。Ga₂O₃ 层通过形成比 Sn-O 键更强的 Ga-O 键，有效抑制了 SnO₂ 表面的氧空位。同时显著减少了环境气体引发的氧吸附/脱附等有害表面反应，这些均是偏压稳定性的关键影响因素。

        与传统金属氧化物 TFT 钝化方法不同，Ga₂O₃ 钝化层不仅提升稳定性，还增强了场效应迁移率。由于 Ga₂O₃ 的工作函数低于 SnO₂，电子被限制在 SnO₂ 势阱内形成准二维电子气，从而提升自由载流子浓度。这使场效应迁移率提升1.5倍（从约 10 cm²/Vs 增至约 15 cm²/Vs），同时保持强偏压稳定性。总体而言，该 SnO₂–Ga₂O₃ 钝化方案为下一代电子器件（包括薄膜晶体管、太阳能电池、透明电极及电阻式随机存取存储器）提供了实现偏压稳定、高性能金属氧化物薄膜的可行路径。

图1. (a)单层 SnO₂ 薄膜与(b)单层 Ga₂O₃ 薄膜的 GIXRD 光谱。插图显示 Ga 2p 的高分辨率 XPS 光谱。

图2. SnO₂ 薄膜的截面扫描电子显微镜图像：（a）无 Ga₂O₃ 薄膜；（b）带 0.01M Ga₂O₃ 钝化层；（c）带 0.05M Ga₂O₃ 钝化层。

图3. 未含 Ga₂O₃ 的 SnO₂ 薄膜、含 Ga₂O₃ 钝化层的薄膜以及含 Ga₂O₃（0.05 M）钝化层的薄膜的高分辨率 XPS 深度剖面光谱。图 (a) 至 (c) 展示 Ga 2p 光谱，(d) 至 (f) 展示 O 1s 光谱，(g)汇总了 O 1s 深度剖面结果。

图4. 具有不同 Ga₂O₃ 钝化层的 SnO₂ 薄膜晶体管代表性 ID-VD 特性曲线：(a)无 Ga₂O₃ 钝化层，(b)含 0.01M Ga₂O₃ 钝化层，(c)含 0.05M Ga₂O₃ 钝化层。图 (d) 为制备的薄膜晶体管在有无 Ga₂O₃ 钝化层条件下的代表性转移曲线。插图展示了具有 Ga₂O₃ 钝化层的 SnO₂ 薄膜晶体管示意图。

图5. SnO₂ 薄膜晶体管在NBS测试中的代表性传输特性：（a）无 Ga₂O₃ 钝化层；（b）含 0.01M Ga₂O₃ 钝化层；（c）含 0.05M Ga₂O₃ 钝化层。（d）NBS 测试中提取的饱和场效应迁移率与阈值电压 V_th。

图6. SnO₂ 薄膜晶体管在 PBS 测试中的代表性传输特性：（a）无 Ga₂O₃ 钝化层；（b）含 0.01M Ga₂O₃ 钝化层；（c）含 0.05M Ga₂O₃ 钝化层；（d）PBS 测试中提取的饱和场效应迁移率与阈值电压。

图7. (a) SnO₂ 与 (b) Ga₂O₃（0.05 M） 薄膜的 Tauc 图（(ahv)² 与光子能量关系）。(c, d) SnO₂ 薄膜 UPS 光谱的低/高结合能斜率。(e, f) Ga₂O₃（0.05 M）薄膜的 UPS 光谱中低/高结合能斜率。(g, h) Ga₂O₃（0.05 M）与 SnO₂ 接触前后的能级对齐示意图。

DOI：

doi.org/10.1016/j.mtadv.2025.100619