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非晶态氧化物基薄膜晶体管因其优良的电学和光学性能而备受关注。近年来，由于对低电压驱动器件日益强烈的要求，采用高κ材料作为栅介质的薄膜晶体管成为研究热点。高κ材料有大的电荷调控能力，因而能降低器件的亚阈值摆幅及工作电压。对于器件的实际应用，氧化物沟道/高κ介质基的薄膜晶体管的稳定性和可靠性问题是非常关键的。然而，由于高κ介质材料本身的复杂性，以其为栅介质薄膜晶体管的器件稳定性问题一直缺乏深入研究，是其实际应用的巨大阻碍。基于以上原因，本课题聚焦于以Ta2O5为栅介质的InZnO薄膜晶体管制备及器件稳定性研究。
Ta2O5介质层是采用射频磁控溅射的方法在室温下制备的。我们发现在溅射过程中加入衬底偏压能得到很低漏电流(～10-7A/cm2@1.6MV/cm)的Ta2O5薄膜，经分析这是由于偏压提高薄膜致密度的结果。我们成功制备了以Ta2O5为栅介质的高性能薄膜晶体管。器件显示了大的饱和迁移率17cm2V-1s-1，很好的亚阈值摆幅140mV/decade，很低的阈值电压1.6V,很高的开关比107。当在栅极施加正向电偏压时，在以Ta2O5为栅介质的InZnO薄膜晶体管中观察到一种反常的阈值电压向负方向漂移的行为。相关分析表明，这是由于电子从高κTa2O5介质释放到ITO栅电极引起的，该观点被阈值电压改变量随施压时间对数的线性依赖及器件模拟得出的陷阱电荷减少所证明。
为了进行更深入的研究，我们制备了以热氧化硅和Ta2O5为介质层的InZnO薄膜晶体管，并对比研究了退火温度对晶体管性能和稳定性的影响。对这两类器件，后退火处理可以提高其电学性能和稳定性，这些都归因于InZnO沟道层及界面缺陷态密度的减少。当施加正向偏压时，SiO2为介质的薄膜晶体管显示了单调的阈值电压正向漂移，这是众所周知的电子在沟道层或者界面被俘获所致。然而对以Ta2O5为介质层的薄膜晶体管，更深入的分析表明，其阈值电压的漂移是电子被俘获和电子释放两个过程竞争的结果，前者发生在InZnO沟道层及界面处，产生正方向的阈值电压漂移，而后者则是由于Ta2O5中的缺陷态，导致负的阈值电压漂移。随着退火温度的升高，有一个从电子俘获机制占主导地位向电子释放机制占主导地位的转变过程。此外，InZnO基薄膜晶体管转移曲线以及MIS电容器C-V测试的迟滞跟晶体管性能及稳定性是自洽的。