3.5.3 AOS TFT稳定性

AOS 薄膜中缺陷态的存在，对所制备的 TFT 器件的稳定性有很大的影响。提升 AOS TFT 在光照、温度和不同偏置条件下的稳定性对其在高品质显示中的应用非常关键。面向显示应用，AOS TFT主要需要表征以下情况的稳定性。

（1）正偏压稳定性。当AOS TFT在电流驱动型显示（如AMOLED）中作为驱动管时，需要在正向偏置下，提供不同的驱动电流。因此，正偏压下的偏置稳定性非常重要。常用的可靠性测试方法为正偏压温度应力（Positive Bias Temperature Stress，PBTS）测试。一个基本的正偏压下的非稳定特性一般可以描述为在较低的偏置电压下，沟道中的电子可能被沟道/介电层界面或介电层中的缺陷态俘获，导致阈值电压正偏移，而在偏置撤除后或负偏置后，阈值电压的偏移能够恢复；在较高的正偏压下，沟道中的缺陷态密度增加，除阈值电压会发生更大的偏移外，亚阈值摆幅和迁移率等器件特性也会受影响，而且当偏置电压撤除后性能无法恢复。因此，AOS TFT在PBTS作用下的阈值电压偏移源于沟道层、介电层及界面处存在的缺陷态对载流子的俘获。如图3-8（a）所示，当温度升高时，更多的电子获得足以跨越沟道/介电层界面势垒的能量，形成热激发的高能电子，加速了正偏压下电子在介电层中被俘获，造成更快速且更严重的阈值电压的正偏移。通过优化沟道/介电层的薄膜沉积工艺及后退火处理工艺，减小缺陷态密度，能够有效地提高AOS TFT的PBTS稳定性。

（2）负偏压稳定性。对于像素电路的开关管，由于长时间处于负偏压下的关态，并且不可避免地会受到光照和温度的影响，因此负偏压温度和光照下的稳定性至关重要。常用的表征方法包括负偏压温度应力（Negative Bias Temperature Stress，NBTS）、负偏压光照应力（Negative Bias Illumination Stress，NBIS）和负偏压温度光照应力（Negative Bias Temperature Illumination Stress，NBTIS）。与正偏压温度应力稳定性类似，负偏压温度应力（NBTS）稳定性也与沟道层界面及介电层材料内部的缺陷态紧密相关，在负偏压作用下，沟道层界面及介电层内部的缺陷态俘获空穴，屏蔽栅源电场，从而使得器件的阈值电压发生负偏移。优化薄膜沉积工艺及界面特性减少缺陷态有利于提高NBTS稳定性。此外，通过将双栅器件的顶栅与底栅短接，减弱垂直沟道方向的场强，将载流子集中在有源层的中间，削弱沟道层界面处缺陷态对器件稳定性的影响，有利于提高器件的NBTS稳定性。AOS TFT的负偏压光照应力（NBIS）稳定性与有源层内部氧空位的电离有关。如图3-8（b）所示，以a-IGZO为例，当采用较短波长进行光照时，束缚在深能级中的电子获得足够能量被激发到导带形成自由电子，同时由于晶格驰豫形成浅能级的离化，在负栅偏压形成的电场的作用下向沟道/介电层界面移动并被俘获。导带增加的自由电子及界面的屏蔽作用共同造成阈值电压的负偏移。当光照撤除后，由于中性的氧空位与电离后的氧空位存在一定的势垒，器件的阈值电压需要较长的时间才能恢复到初始值，表现为持续光电导现象。因此，有源层中氧空位的浓度决定了器件的NBIS稳定性，减小氧空位浓度成为提升NBIS稳定性的关键。例如，通过对有源层进行 N₂O 等离子体处理，能够有效减小氧空位的浓度，提高器件的NBIS稳定性，但是等离子的能量需要控制合适，避免造成界面缺陷态。

图3-8 AOS TFT在不同应力测试条件下导致不稳定性的机理示意图