Low-temperature fabrication of sputtered high-k HfO2 gate dielectric for flexible a-IGZO thin film transistors

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作者
Rihui Yao,Zeke Zheng,Mei Xiong,Xiaochen Zhang,Xiaoqing Li,Honglong Ning,Zhiqiang Fang,Weiguang Xie,Xubing Lu,Junbiao Peng
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:112 (10) 被引量:115
标识
DOI:10.1063/1.5022088
摘要

In this work, low temperature fabrication of a sputtered high-k HfO2 gate dielectric for flexible a-IGZO thin film transistors (TFTs) on polyimide substrates was investigated. The effects of Ar-pressure during the sputtering process and then especially the post-annealing treatments at low temperature (≤200 °C) for HfO2 on reducing the density of defects in the bulk and on the surface were systematically studied. X-ray reflectivity, UV-vis and X-ray photoelectron spectroscopy, and micro-wave photoconductivity decay measurements were carried out and indicated that the high quality of optimized HfO2 film and its high dielectric properties contributed to the low concentration of structural defects and shallow localized defects such as oxygen vacancies. As a result, the well-structured HfO2 gate dielectric exhibited a high density of 9.7 g/cm3, a high dielectric constant of 28.5, a wide optical bandgap of 4.75 eV, and relatively low leakage current. The corresponding flexible a-IGZO TFT on polyimide exhibited an optimal device performance with a saturation mobility of 10.3 cm2 V−1 s−1, an Ion/Ioff ratio of 4.3 × 107, a SS value of 0.28 V dec−1, and a threshold voltage (Vth) of 1.1 V, as well as favorable stability under NBS/PBS gate bias and bending stress.
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