3.5.1 AOS材料与成膜工艺
一元氧化物半导体，如氧化锌（ZnO）、氧化铟（In2O3）等，容易形成结晶的薄膜，面向大面积制备难以获得好的一致性。在氧化物半导体中加入两种或更多的具有不同电荷数和尺寸的金属阳离子，可以抑制结晶，形成非晶态，从而有利于大面积制备的一致性。在所形成的AOS薄膜中，金属阳离子，如铟（In）、镓（Ga）、锌（Zn）、锡（Sn），比氧原子具有更大的尺寸，其空s轨道连接形成了电子传输的路径。因此，非晶结构的半导体薄膜依然能够获得高的电子迁移率。
针对TFT应用，需要半导体薄膜具有较低的载流子浓度，以有效地调控沟道层的导电能力和器件的阈值电压。虽然二元AOS材料（如IZO）可以获得很高的迁移率，但其在低电子浓度下的调控非常困难。通过引入Ga原子，利用Ga和氧形成更强的Ga-O键，可以有效地抑制氧空位缺陷的形成，从而控制电子的浓度。在 In-Zn-O 体系里加入这样的稳定剂离子，形成三元 AOS材料成为TFT应用的主要方案。典型的材料In-Ga-Zn-O已进入量产，其他稳定剂离子（如Mg、Al、Si、Ti、Ge、Mo等）也被广泛研究，以寻找比Ga更好的取代者。AOS 薄膜的沉积可采用多种工艺方法，包括激光烧蚀、磁控溅射、原子层沉积、化学气相沉积及溶液法印刷等。
面向显示背板应用，考虑到与大面积制造工艺的兼容，目前采用的主流工艺方法是预先按一定组分比例制成靶材，通过磁控溅射进行沉积。靶材的质量、磁控溅射过程中腔体内的气氛条件和气流控制，以及靶材表面特性的变化等都会影响所制备薄膜的质量，形成不同的带隙间缺陷态分布，从而引起器件性能的显著变化。在AOS中，由于靠近价态能级的缺陷态浓度很高，空穴难以参与导电，电子成为主要的导电载流子。对于成膜质量差的薄膜，靠近导带能级的高缺陷态浓度，对电子在沟道层中输运会有很大的影响。热退火处理，能够有效地减少靠近导带能级的缺陷态，因此除磁控溅射过程的工艺调控外，退火条件（包括温度、气氛、时间）的选择也能提高器件的性能（包括迁移率和亚阈值摆幅），达到采用高质量薄膜所制备的器件的水平。另外，AOS 薄膜中结构缺陷会形成氧空位，打破电荷平衡，在沟道中产生自由电子，可通过调控氧空位的浓度平衡关态漏电流、阈值电压和迁移率等关键器件特性参数。关于AOS器件介电层的制备，常用的方法是等离子增强化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD），但这种方法在成膜过程中和膜内均存在大量的氢，极易受工艺制程和环境因素影响扩散到AOS薄膜中，导致沟道层管理困难。在AOS中，氢不管是位于结合点的位置还是间隙位置，都会导致费米能级升高，超过导带底，从而显著增加沟道层中自由电子的浓度，导致沟道层难以被关断。因此，在AOS溅射和后退火的成膜工艺中，氢和氧空位都需要进行严格的控制。优化溅射工艺和后退火工艺条件，提高AOS薄膜质量，减少缺陷态，有助于提升所制备的TFT器件的偏置稳定性。
除磁控溅射外，CVD和原子层沉积（Atom Layer Deposition，ALD）的方法也被研究用于AOS薄膜的沉积和TFT器件的制备。对比磁控溅射，CVD和ALD通过前驱气体配比的准确控制，理论上在一致性和可重复性上更有优势，但要实现不同组分的AOS薄膜，需要依赖于前驱体气体的开发，工艺的成熟度还有待提高。更为简单的方法是溶液法印刷，将预先配好的前驱体溶液，利用涂布印刷的工艺进行成膜，然后通过后退火工艺形成AOS薄膜，用于制备TFT器件。然而，由于前驱体溶液所成薄膜中存在大量难以去除的杂质组分，所制备的 TFT器件性能（迁移率、亚阈值摆幅和漏电流）和稳定性都要明显差于真空工艺制备的器件，而且需要更高的退火处理温度或特殊的退火工艺来提高薄膜质量，减少缺陷态。