IGZO材料、元件特性及其基本原理(一)：材料世界網

一、前言

(一) 由TCO到OS

氧化銦(In₂O₃)、氧化錫(SnO₂)和氧化鋅(ZnO)是一般熟知的透明導電氧化物(Transparent Conducting Oxide；TCO)，其中摻雜錫的氧化銦，也就是氧化銦錫(Indium Tin Oxide；ITO)，其薄膜用於平面顯示器(Flat Panel Display；FPD)的透明電極與電容式觸控面板的觸摸感測器，而SnO₂和ZnO的薄膜則用於太陽電池的透明電極。在這些應用中，高穿透與高導電是追求的目標，因此TCO一詞很貼切地描述了其材料的特性。

然而，這些TCO材料本質上也是半導體，因此，研究者也積極地研究開發其半導體的性能，嘗試用相關族群的材料製成半導體元件。就這樣，由以往注重TCO的透明導電性質轉變為注重其半導體性質，不再追求極高的導電性。另外，透明是TCO材料原有的特徵，在這裡也轉變為附帶的優點(尤其用於FPD時)，而不再是主要目標。這些朝向半導體的研發最近十年來取得極大的進展，不但原本的TCO家族出現了新的成員，其應用產品也由單純的透明電極擴展到具有控制功能的半導體元件，例如薄膜電晶體(Thin Film Transistor；TFT)等。因應這個演進，氧化物半導體(Oxide Semiconductor；OS)成為這類材料的稱呼，以突顯其半導體特性，其中又以銦鎵鋅氧化物(Indium Gallium Zinc Oxide；IGZO)最有名。

(二) IGZO的源起與現狀

IGZO的歷史可以追溯到1985年，日本科學技術廳無機材質研究所的君塚等人首次成功合成IGZO的結晶，之後超過十年的時間， IGZO之類的同種結構(Homologous Structure)一直是研究者的研究對象。2004年，日本東京工業大學的細野秀雄(Hideo Hosono)研究團隊首次發表以非晶形IGZO(Amorphous IGZO；a-IGZO)製成的高遷移率TFT，這個高遷移率的特性引起全球相關業者和研究者的注意；因為有相當多的文獻發表，a-IGZO材料的知名度極高，本文關於IGZO基礎理論的敘述也大都取材自這方面的論文。

但是在同一時期，結晶形IGZO薄膜的研究也在平行發展，而且日本Sharp已經率先量產使用結晶形IGZO TFT的LCD，用於其新款的智慧型手機和平板電腦。Sharp使用的結晶形IGZO，是與半導體能量研究所(Semiconductor Energy Laboratory；SEL)合作開發、整合了獨特技術的CAAC-IGZO(C-Axis Aligned Crystal IGZO)結晶薄膜。CAAC-IGZO同樣具有高載子遷移率的特點，其原子排列有強烈的c軸取向(Orientation)；與a-IGZO相比，CAAC-IGZO的可靠度與薄膜均勻性更佳。然而因為事關商業機密，CAAC-IGZO的詳情，尤其是製作技術，幾乎完全不為人所知。儘管如此，我們仍可由IGZO的同種結構出發，由結構了解其特性的成因。

本文開頭先敘述IGZO的材料與元件特性，接著說明這些特性背後的基本原理與影響因素，最後簡單介紹一些IGZO的商品及開發品。

二、IGZO材料與元件的特性

(一) IGZO的材料組成

IGZO是由In₂O₃、Ga₂O₃和ZnO這三種氧化物所組成的材料系統，並不專指某一特定成分的銦鎵鋅氧化物。如果三者組合起來時In、Ga和Zn的原子數量相同，那麼IGZO可用簡式寫成InGaZnO₄，這也是目前發表的a-IGZO文獻中常見的成分組合，雖然實際成膜後三種金屬成分可能會偏離原有的公稱比1：1：1。不同的In₂O₃、Ga₂O₃和ZnO組合比率會影響IGZO的性質，將詳述於後，這裡先介紹一些比較容易了解的IGZO TFT特性。

(二) IGZO TFT

1. 單晶IGZO(sc-IGZO)TFT

細野研究團隊(1)在2003年發表了以InGaO₃(ZnO)₅單晶薄膜為通道層(Channel Layer)的透明場效電晶體(Field Effect transistor；FET)，其材料結構及工作表現分別如圖一與圖二所示。這種電晶體的門檻電壓(Vth)約為3V，電流開關比(Ion/Ioff)約為106，場效遷移率(Field Effect Mobility；mFE)約為80 cm²V^-1s^-1。有別於較早研發的ZnO TFT，sc-IGZO不像ZnO那樣容易殘留過多的自由電子(濃度高於1017 cm^-3，來自氧空缺或填隙的鋅原子)，所以sc-IGZO TFT可以維持在常關(normally-off)狀態，Vth也比較容易控制。

雖然sc-IGZO TFT有相當好的電晶體特性及實驗再現性，但其中的InGaO₃(ZnO)₅單晶薄膜是以反應性固相磊晶(Reactive Solid-Phase Epitaxy；R-SPE)製作⁽²⁾，這種利用固態擴散的方法需要在1400 °C以上的高溫進行，不利於量產，也無法用於玻璃基板或塑膠基材，不能實用化。儘管如此，sc-IGZO TFT仍是一個重要的結果，其電性及微結構的基礎研究對於後續a-IGZO的理解與研發有相當大的幫助。