CN106252394B - 氧化物薄膜的场效应晶体管器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有成分缓变有源层结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件及其制备方法，属于薄膜晶体管器件技术领域。缓变结构氧化物有源层所采用结构为：ZnSnO/ZnSnO:X%HfO2/ZnSnO:Y%HfO2其中（X<Y）。掺杂的控制主要通过共溅射方法来实现的，通过溅射功率的大小来调控掺杂量。本器件依次由基板、栅极、绝缘层、缓变结构氧化物有源层、源极、漏极、钝化层构成。本发明能同时提升氧化物TFT的迁移率和稳定性。与现有的氧化物TFT和硅基TFT有着良好的工艺兼容性，能有效地节约缓变结构氧化物薄膜晶体管的制备成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种场效应晶体管器件及其制备方法，特别是涉及一种薄膜场效应晶体管器件及其制备方法，应用于薄膜场效应晶体管技术领域。
背景技术
氧化物薄膜晶体管因具有高迁移率、高透过率、低温制备工艺，环保无毒等诸多优点，成为下一代最具有发展前景的TFT背板技术，在平板显示领域应用广泛。
对于显示品质的不断提升，大尺寸、高分辨率和节能的显示技术必将成为未来发展的主流，所以开发高迁移、低功耗和高稳定性的氧化物TFT技术成为重要的研究方向。目前氧化物TFT的发展主要瓶颈技术在于高迁移率和高稳定性之间的矛盾，同时提升氧化物TFF的迁移率和稳定性成为亟待解决的重要问题。当前提升氧化物TFT的稳定性的方案，主要是采用Ga、Hf等离子掺杂减小TFT的器件的缺陷态，从而提升氧化物TFT的稳定性，然而不幸的是，氧化物TFT的迁移率也随之下降，因而采用Ga、Hf等离子掺杂难以实现高迁移率、高稳定性的氧化物TFT。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种具有成分缓变有源层结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件及其制备方法，本发明场效应晶体管器件能同时提升氧化物TFT的迁移率和稳定性，与现有的氧化物TFT和硅基TFT有着良好的工艺兼容性，能有效地节约缓变结构氧化物薄膜晶体管的制备成本。
为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：
一种具有成分缓变有源层结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件，按结构层次序依次逐层制备而成，主要由基板、栅极、绝缘层、有源层、源极、漏极和钝化层构成底栅结构或顶栅结构，所述有源层采用具有成分缓变结构的ZnSnO:HfO2复合氧化物薄膜制成，具体为：以ZnSnO为基础材料，以HfO2为掺杂材料，通过调控HfO2在ZnSnO氧化物薄膜中的掺杂量为X～Y％，使所述有源层的材料结构为：由ZnSnO层、ZnSnO:X％HfO2复合层、ZnSnO:Y％HfO2复合层组成的具有成分梯度的成分缓变结构，其中X<Y，X％和Y％皆采用相同的计量物质的百分比。
作为本发明优选的技术方案，所述有源层的厚度为20～100nm，所述绝缘层和所述钝化层的厚度均为80～200nm，所述栅极、所述源极和所述漏极的厚度均为50～200nm。
优选通过调控上述HfO2在ZnSnO氧化物薄膜中的掺杂量为10～20％。
上述基板优选采用硅片、柔性衬底、玻璃衬底和陶瓷衬底中的任意一种。
上述栅极的材料优选采用Au、Al、Cu、Mo、Cr、Ti、ITO、W、Ag和Ta中的任意一种或者任意几种。
上述源极和上述漏极材料分别优选采用Au、Ag、Mo、Al、Cu、Cr、Ti、Mg和Ca中的任意一种或者任意几种。
上述绝缘层和上述钝化层分别优选采用Ta2O5、Al2O3、SiO2、TiO2和SiNx中的任意一种材料或者任意几种材料制备而成的薄膜。
一种具有成分缓变有源层结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备方法，按结构层次序依次逐层制备，包括如下步骤：
a.选择符合设定尺寸要求的基板，清洗后烘干，备用；
b.在所述步骤a中制备的干燥洁净的基板上，通过真空蒸发方法或溅射工艺，并实现图案化，制备厚度为50～200nm的图案化的栅极，得到具有栅极的基板；当采用真空蒸镀的方法制备电极时，优选控制真空度小于10-3Pa；
c.在所述步骤b中制备的具有栅极的基板上，采用原子层沉积法、化学气相沉积法、溅射法或蒸发方法制备厚度为80～200nm的绝缘层；
d.采用共溅射方法，并实现图案化，在所述步骤c中制备的绝缘层上，制备厚度为20～100nm的图案化的具有成分缓变结构的ZnSnO:HfO2复合氧化物薄膜，作为有源层，在制备有源层氧化物薄膜时，以ZnSnO为基础材料，以HfO2为掺杂材料，通过调控HfO2在ZnSnO氧化物薄膜中的掺杂量为X～Y％，使所述有源层(4)的材料结构为：由ZnSnO层、ZnSnO:X％HfO2复合层、ZnSnO:Y％HfO2复合层组成的具有成分梯度的成分缓变结构，其中X<Y，X％和Y％皆采用相同的计量物质的百分比；作为优选的技术方案，采用ZnSnO靶和HfO2靶，采用共溅射方法，进行图案化制备ZnSnO:HfO2复合氧化物薄膜，并优选通过调节HfO2靶的溅射功率的方法来控制氧化物薄膜有源层中的HfO2的掺杂量；
e.在经过所述步骤d图案化制备有源层之后，在未覆盖有源层的部分绝缘层上，再采用真空蒸发方法或溅射方法分别制备源极和漏极，使源极和漏极实现图案化，并使源极和漏极的厚度均为50～200nm；当采用真空蒸镀的方法制备电极时，优选控制真空度小于10-3Pa；
f.在经过所述步骤d图案化制备有源层之后，在有源层上，采用原子层沉积方法、化学气相沉积方法、溅射方法或蒸发方法制备厚度为80～200nm的钝化层，从而完成具有底栅结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备。
本发明采用缓变结构氧化物薄膜作为有源层，突破了常规单一的有源层结构，通过缓变结构的设计，能同时提升氧化物薄膜的迁移率和稳定性。通过共溅射方法实现来实现掺杂浓度梯度变化的氧化物薄膜作为有源层材料，一方面可以保证靠近绝缘层的沟道区域载流子的迁移率，另一方面通过掺杂浓度的梯度变化制备缺陷态密度小的氧化物薄膜。缓变结构氧化物TFT的制备方法与现有的氧化物TFT及硅基TFT制备工艺有着良好的兼容性，能有效地减小其制造成本。缓变结构氧化物TFT的制备为实现高迁移率和高稳定性氧化物TFT提供了理论指导和技术支持。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明采用缓变结构氧化物作为TFT器件的有源层，其中Hf掺入是通过共溅射方式实现掺杂，掺杂量由溅射功率决定，维持如下结构：ZnSnO/ZnSnO:X％HfO2/ZnSnO:Y％HfO2其中(X<Y)；缓变结构氧化物有源层，能保证氧化物TFT的迁移率的情况下，能有效地控制氧化物TFT的缺陷态，提升氧化物TFT的稳定性；
2.本发明缓变结构氧化物TFT与常规的氧化物TFT及硅基TFT具有很好的工艺兼容性。
附图说明
图1为本发明实施例一缓变结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件结构示意图。
图2为本发明实施例一制备的具有成分缓变有源层结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件和对比例制备的均匀材质氧化物薄膜场效应晶体管器件转移特性曲线对比图。
图3为本发明实施例一缓变结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的偏压稳定性曲线。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1～3，一种具有成分缓变有源层结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备方法，按结构层次序依次逐层制备，包括如下步骤：
a.选择符合设定尺寸要求的玻璃衬底作基板，依次用丙酮、酒精、去离子水超声清洗30min，清洗后烘干，进行UV-Ozone处理10min，备用；
b.在所述步骤a中制备的干燥洁净的基板上，通过溅射工艺，并实现图案化，制备厚度为100nm的图案化的Al电极，作为栅极，得到具有栅极的基板；
c.在所述步骤b中制备的具有栅极的基板上，采用ALD沉积方法制备厚度为150nm的Al2O3薄膜，作为栅极的绝缘层；
d.采用共溅射方法，并实现图案化，在所述步骤c中制备的绝缘层上，制备厚度为30nm的图案化的具有成分缓变结构的ZnSnO:HfO2复合氧化物薄膜，作为有源层，在制备有源层氧化物薄膜时，以ZnSnO为基础材料，以HfO2为掺杂材料，通过调控HfO2在ZnSnO氧化物薄膜中的掺杂量分别为10％和20％，使所述有源层(4)的材料结构为：由ZnSnO层、ZnSnO:10％HfO2复合层、ZnSnO:20％HfO2复合层组成的具有成分梯度的成分缓变结构，其中HfO2在ZnSnO氧化物薄膜中的掺杂量皆采用重量百分比；
e.在经过所述步骤d图案化制备有源层之后，在未覆盖有源层的部分绝缘层上，再控制真空度小于10-3Pa，采用真空蒸发方法分别制备源极和漏极，使源极和漏极实现图案化，并使源极和漏极的厚度均为80nm；
f.在经过所述步骤d图案化制备有源层之后，在有源层上，采用原子层沉积方法制备厚度为150nm的Al2O3层作为钝化层，从而完成具有底栅结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备。
本实施例薄膜晶体管为底栅结构，参见图1，从下至上由基板1、栅极2、绝缘层3、缓变结构的有源层4、源极5、漏极6、钝化层7依次构成。
本实施例缓变结构氧化物有源层所采用结构制备时，掺杂的控制主要通过共溅射方法来实现的，通过溅射功率的大小来调控掺杂量。采用本实施例方法制备具有成分缓变有源层结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件，与传统器件相比，最大的区别在于能同时提升氧化物TFT器件的电学性能和稳定性，采用HfO2靶的溅射功率来调整Hf元素的掺杂量，从而制备出迁移率高、缺陷态少的新型缓变结构氧化物薄膜。可见采用本实施例方法的缓变结构氧化物TFT，无需改变传统的制备工艺，该方案简单可行，将在平板显示领域有着良好的应用前景。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本对比例中，一种具有成分缓变有源层结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备方法，按结构层次序依次逐层制备，包括如下步骤：
a.选择符合设定尺寸要求的玻璃衬底作基板，依次用丙酮、酒精、去离子水超声清洗30min，清洗后烘干，进行UV-Ozone处理10min，备用；
b.在所述步骤a中制备的干燥洁净的基板上，通过溅射工艺，并实现图案化，制备厚度为50nm的图案化的Al电极，作为栅极，得到具有栅极的基板；
c.在所述步骤b中制备的具有栅极的基板上，采用ALD沉积方法制备厚度为80nm的Al2O3薄膜，作为栅极的绝缘层；
d.采用共溅射方法，并实现图案化，在所述步骤c中制备的绝缘层上，制备厚度为20nm的图案化的具有成分缓变结构的ZnSnO:HfO2复合氧化物薄膜，作为有源层，在制备有源层氧化物薄膜时，以ZnSnO为基础材料，以HfO2为掺杂材料，通过调控HfO2在ZnSnO氧化物薄膜中的掺杂量分别为10％和20％，使所述有源层(4)的材料结构为：由ZnSnO层、ZnSnO:10％HfO2复合层、ZnSnO:20％HfO2复合层组成的具有成分梯度的成分缓变结构，其中HfO2在ZnSnO氧化物薄膜中的掺杂量皆采用重量百分比；
e.在经过所述步骤d图案化制备有源层之后，在未覆盖有源层的部分绝缘层上，再采用溅射方法分别制备源极和漏极，使源极和漏极实现图案化，并使源极和漏极的厚度均为50nm；
f.在经过所述步骤d图案化制备有源层之后，在有源层上，采用原子层沉积方法制备厚度为80nm的Al2O3层作为钝化层，从而完成具有底栅结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备。
本实施制备的与实施例一制备的具有成分缓变有源层结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的转移特性、迁移率和稳定性基本接近，采用本实施例方法制备具有成分缓变有源层结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件，与传统器件相比，最大的区别在于能同时提升氧化物TFT器件的电学性能和稳定性，采用HfO2靶的溅射功率来调整Hf元素的掺杂量，从而制备出迁移率高、缺陷态少的新型缓变结构氧化物薄膜。可见采用本实施例方法的缓变结构氧化物TFT，无需改变传统的制备工艺，该方案简单可行，将在平板显示领域有着良好的应用前景。
实施例三：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本对比例中，一种具有成分缓变有源层结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备方法，按结构层次序依次逐层制备，包括如下步骤：
a.选择符合设定尺寸要求的玻璃衬底作基板，依次用丙酮、酒精、去离子水超声清洗30min，清洗后烘干，进行UV-Ozone处理10min，备用；
b.在所述步骤a中制备的干燥洁净的基板上，通过溅射工艺，并实现图案化，制备厚度为200nm的图案化的Al电极，作为栅极，得到具有栅极的基板；
c.在所述步骤b中制备的具有栅极的基板上，采用ALD沉积方法制备厚度为200nm的Al2O3薄膜，作为栅极的绝缘层；
d.采用共溅射方法，并实现图案化，在所述步骤c中制备的绝缘层上，制备厚度为100nm的图案化的具有成分缓变结构的ZnSnO:HfO2复合氧化物薄膜，作为有源层，在制备有源层氧化物薄膜时，以ZnSnO为基础材料，以HfO2为掺杂材料，通过调控HfO2在ZnSnO氧化物薄膜中的掺杂量分别为10％和20％，使所述有源层(4)的材料结构为：由ZnSnO层、ZnSnO:10％HfO2复合层、ZnSnO:20％HfO2复合层组成的具有成分梯度的成分缓变结构，其中HfO2在ZnSnO氧化物薄膜中的掺杂量皆采用重量百分比；
e.在经过所述步骤d图案化制备有源层之后，在未覆盖有源层的部分绝缘层上，再采用溅射方法分别制备源极和漏极，使源极和漏极实现图案化，并使源极和漏极的厚度均为200nm；
f.在经过所述步骤d图案化制备有源层之后，在有源层上，采用原子层沉积方法制备厚度为200nm的Al2O3层作为钝化层，从而完成具有底栅结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备。
本实施制备的与实施例一制备的具有成分缓变有源层结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的转移特性、迁移率和稳定性基本接近，采用本实施例方法制备具有成分缓变有源层结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件，与传统器件相比，最大的区别在于能同时提升氧化物TFT器件的电学性能和稳定性，采用HfO2靶的溅射功率来调整Hf元素的掺杂量，从而制备出迁移率高、缺陷态少的新型缓变结构氧化物薄膜。可见采用本实施例方法的缓变结构氧化物TFT，无需改变传统的制备工艺，该方案简单可行，将在平板显示领域有着良好的应用前景。
对比例：
本对比例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本对比例中，参见图2，一种具有氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备方法，按结构层次序依次逐层制备，包括如下步骤：
a.本步骤与实施例一相同；
b.本步骤与实施例一相同；
c.本步骤与实施例一相同；
d.采用ZnSnO陶瓷靶，采用溅射方法，并实现图案化，在所述步骤c中制备的绝缘层上，制备厚度为30nm的图案化的ZnSnO半导体氧化物薄膜层，作为有源层；
e.本步骤与实施例一相同；
f.在经过所述步骤d图案化制备有源层之后，在有源层上，采用原子层沉积方法制备厚度为150nm的Al2O3层作为钝化层，从而完成具有底栅结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备。
本对比例制备的薄膜晶体管为底栅结构，从下至上由基板、栅极、绝缘层、均匀成分的ZnSnO半导体氧化物薄膜的有源层、源极、漏极、钝化层依次构成。
实验测试分析：
对实施例一制备的具有底栅结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件和对比例制备的均匀成分氧化物薄膜的场效应晶体管器件进行分别进行检测分析，并结合实施例一和对比例进行比较，从图2可知采用缓变结构氧化物薄膜作为有源层的场效应晶体管器件呈现优异的电学性能，明显优于均匀成分氧化物薄膜的场效应晶体管器件，同时验证了具有底栅结构的成分缓变结构氧化物薄膜场效应晶体管器件制备的可行性。从图2可知，实施例一采用缓变结构氧化物薄膜作为有源层，制备出了高迁移率高稳定性的氧化物TFT，器件的迁移率高达16.5cm2/Vs，阈值电压为2.8V。
从图3可知采用缓变结构氧化物薄膜作为有源层的场效应晶体管器件呈现优异的正向偏压稳定性，明显优于均匀成分氧化物薄膜的场效应晶体管器件的正向稳定性。采用缓变结构氧化物场效应晶体管器件能同时提升电学性能和正向偏压稳定性，有效地克服均匀成分氧化物薄膜的场效应晶体管器件在此方面的不足。从图3可知，器件在栅压为10V情况3600s的阈值电压漂移量为2.1V，较传统的ZnSnO-TFT的稳定性有明显的提升。可见实施例一制备的缓变结构的有源层能够实现高迁移率和高稳定性的氧化物TFT器件。
采用上述实施例制备的具有底栅结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件，与传统器件相比，最大的区别在于能同时提升氧化物TFT器件的电学性能和稳定性，采用HfO2靶的溅射功率来调整Hf元素的掺杂量，从而制备出迁移率高、缺陷态少的新型缓变结构氧化物薄膜。可见采用此种技术制备的缓变结构氧化物TFT，无需改变传统的制备工艺，上述实施例方案简单可行，将在平板显示领域有着良好的应用前景。
在上述实施例中，掺杂的控制主要通过共溅射方法来实现的，通过溅射功率的大小来调控掺杂量。本发明器件依次由基板、栅极、绝缘层、缓变结构氧化物有源层、源极、漏极、钝化层构成。本发明能同时提升氧化物TFT的迁移率和稳定性。与现有的氧化物TFT和硅基TFT有着良好的工艺兼容性，能有效地节约缓变结构氧化物薄膜晶体管的制备成本。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明具有成分缓变有源层结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件及其制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种具有成分缓变有源层结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件，其特征在于：按结构层次序依次逐层制备而成，主要由基板(1)、栅极(2)、绝缘层(3)、有源层(4)、源极(5)、漏极(6)和钝化层(7)构成底栅结构或顶栅结构，所述有源层(4)采用具有成分缓变结构的ZnSnO:HfO2复合氧化物薄膜制成，具体为：以ZnSnO为基础材料，以HfO2为掺杂材料，通过调控HfO2在ZnSnO氧化物薄膜中的掺杂量为X～Y％，使所述有源层(4)的材料结构为：由ZnSnO层、ZnSnO:X％HfO2复合层、ZnSnO:Y％HfO2复合层组成的具有成分梯度的成分缓变结构，其中X<Y，X％和Y％皆采用相同的计量物质的百分比；通过调控HfO2在ZnSnO氧化物薄膜中的掺杂量为10～20％。
2.根据权利要求1所述具有成分缓变有源层结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件，其特征在于：所述有源层(4)的厚度为20～100nm，所述绝缘层(3)和所述钝化层(7)的厚度均为80～200nm，所述栅极(2)、所述源极(5)和所述漏极(6)的厚度均为50～200nm。
3.根据权利要求1或2所述具有成分缓变有源层结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件，其特征在于：基板(1)采用硅片、柔性衬底、玻璃衬底和陶瓷衬底中的任意一种。
4.根据权利要求1或2所述具有成分缓变有源层结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件，其特征在于：所述栅极(2)的材料采用Au、Al、Cu、Mo、Cr、Ti、ITO、W、Ag和Ta中的任意一种或者任意几种。
5.根据权利要求1或2所述具有成分缓变有源层结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件，其特征在于：所述源极(5)和所述漏极(6)材料分别采用Au、Ag、Mo、Al、Cu、Cr、Ti、Mg和Ca中的任意一种或者任意几种。
6.根据权利要求1或2所述具有成分缓变有源层结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件，其特征在于：所述绝缘层(3)和所述钝化层(7)分别采用Ta2O5、Al2O3、SiO2、TiO2和SiNx中的任意一种材料或者任意几种材料制备而成的薄膜。
7.一种权利要求1所述具有成分缓变有源层结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备方法，其特征在于，按结构层次序依次逐层制备，包括如下步骤：
a.选择符合设定尺寸要求的基板，清洗后烘干，备用；
b.在所述步骤a中制备的干燥洁净的基板上，通过真空蒸发方法或溅射工艺，并实现图案化，制备厚度为50～200nm的图案化的栅极，得到具有栅极的基板；
c.在所述步骤b中制备的具有栅极的基板上，采用原子层沉积法、化学气相沉积法、溅射法或蒸发方法制备厚度为80～200nm的绝缘层；
d.采用共溅射方法，并实现图案化，在所述步骤c中制备的绝缘层上，制备厚度为20～100nm的图案化的具有成分缓变结构的ZnSnO:HfO2复合氧化物薄膜，作为有源层，在制备有源层氧化物薄膜时，以ZnSnO为基础材料，以HfO2为掺杂材料，通过调控HfO2在ZnSnO氧化物薄膜中的掺杂量为X～Y％，使所述有源层(4)的材料结构为：由ZnSnO层、ZnSnO:X％HfO2复合层、ZnSnO:Y％HfO2复合层组成的具有成分梯度的成分缓变结构，其中X<Y，X％和Y％皆采用相同的计量物质的百分比；
e.在经过所述步骤d图案化制备有源层之后，在未覆盖有源层的部分绝缘层上，再采用真空蒸发方法或溅射方法分别制备源极和漏极，使源极和漏极实现图案化，并使源极和漏极的厚度均为50～200nm；
f.在经过所述步骤d图案化制备有源层之后，在有源层上，采用原子层沉积方法、化学气相沉积方法、溅射方法或蒸发方法制备厚度为80～200nm的钝化层，从而完成具有底栅结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备。
8.根据权利要求7所述具有成分缓变有源层结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备方法，其特征在于：在所述步骤b和步骤e中，当采用真空蒸镀的方法制备电极时，控制真空度小于10-3Pa。
9.根据权利要求7或8所述具有成分缓变有源层结构的氧化物薄膜的场效应晶体管器件的制备方法，其特征在于：在所述步骤d中，采用ZnSnO靶和HfO2靶，采用共溅射方法，进行图案化制备ZnSnO:HfO2复合氧化物薄膜，并通过调节HfO2靶的溅射功率的方法来控制氧化物薄膜有源层中的HfO2的掺杂量。
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