Wide bandgap gallium oxide thin-film transistor (TFT) is promising for next-generation sustainable energy-efficient power electronics. In particular, amorphous oxide channel exhibits inherent advantages on mass productions based on a low-temperature processability compatible with cost-effective large-sized glass. Here, we developed hydrogen defect termination to produce amorphous-GaOx (a-GaOx) channel for n-channel oxide-TFT and demonstrated high-mobility a-GaOx-TFT exhibiting a high saturation mobility (μsat) of ∼31 cm2 V−1 s−1, threshold voltage (Vth) of ∼3.3 V, a current on/off ratio of ∼108, and subthreshold swing value (s-value) of ∼1.17 V·dec−1. The study found that oxygen conditions during the channel fabrication process, i.e., oxygen partial pressure during the film deposition and post-thermal annealing atmospheres, were critical for the TFT performances of gallium oxide-TFTs, and subgap defects originated from low-valence Ga+ state and excess oxygen rather than oxygen vacancy had a large responsibility for the device performances. The finding explains why the development of gallium oxide-TFTs is largely behind the other oxide-TFTs. We also fabricated depletion and enhancement-mode a-GaOx-TFTs and developed a full-swing zero-VGS-load inverter with high voltage gain ∼200 and sufficient noise margins. The present study demonstrates a high potential of gallium oxide channel for low-temperature processed n-channel oxide-TFT for next-generation electronic applications.

1.
T.
Kamiya
,
K.
Nomura
, and
H.
Hosono
,
Sci. Technol. Adv. Mater.
11
,
044305
(
2010
).
2.
X.
Yu
,
T. J.
Marks
, and
A.
Facchetti
,
Nat. Mater.
15
,
383
(
2016
).
3.
L.
Petti
,
N.
Münzenrieder
,
C.
Vogt
,
H.
Faber
,
L.
Büthe
,
G.
Cantarella
,
F.
Bottacchi
,
T. D.
Anthopoulos
, and
G.
Tröster
,
Appl. Phys. Rev.
3
,
021303
(
2016
).
4.
K.
Nomura
,
H.
Ohta
,
A.
Takagi
,
T.
Kamiya
,
M.
Hirano
, and
H.
Hosono
,
Nature
432
,
488
(
2004
).
5.
D.
Kim
,
Y.
Kim
,
S.
Lee
,
M. S.
Kang
,
D. H.
Kim
, and
H.
Lee
,
IEEE J. Electron Devices Soc.
5
,
372
(
2017
).
6.
H.
Zhu
,
E.
Shin
,
A.
Liu
,
D.
Ji
,
Y.
Xu
, and
Y.
Noh
,
Adv. Funct. Mater.
30
,
1904588
(
2020
).
8.
Y.
Jeon
,
D.
Lee
, and
H.
Yoo
,
Coatings
12
,
204
(
2022
).
9.
J. Y.
Tsao
,
S.
Chowdhury
,
M. A.
Hollis
,
D.
Jena
,
N. M.
Johnson
,
K. A.
Jones
,
R. J.
Kaplar
,
S.
Rajan
,
C. G.
Van de Walle
,
E.
Bellotti
,
C. L.
Chua
,
R.
Collazo
,
M. E.
Coltrin
,
J. A.
Cooper
,
K. R.
Evans
,
S.
Graham
,
T. A.
Grotjohn
,
E. R.
Heller
,
M.
Higashiwaki
,
M. S.
Islam
,
P. W.
Juodawlkis
,
M. A.
Khan
,
A. D.
Koehler
,
J. H.
Leach
,
U. K.
Mishra
,
R. J.
Nemanich
,
R. C. N.
Pilawa-Podgurski
,
J. B.
Shealy
,
Z.
Sitar
,
M. J.
Tadjer
,
A. F.
Witulski
,
M.
Wraback
, and
J. A.
Simmons
,
Adv. Electron. Mater.
4
,
1600501
(
2018
).
10.
S. J.
Pearton
,
J.
Yang
,
P. H.
Cary
IV
,
F.
Ren
,
J.
Kim
,
M. J.
Tadjer
, and
M. A.
Mastro
,
Appl. Phys. Rev.
5
,
011301
(
2018
).
11.
M. H.
Wong
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
S.
Yamakoshi
, and
M.
Higashiwaki
,
IEEE Electron Device Lett.
37
,
212
(
2016
).
12.
A. K.
Saikumar
,
S. D.
Nehate
, and
K. B.
Sundaram
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
8
,
Q3064
(
2019
).
13.
R.
Zhu
,
H.
Liang
,
S.
Hu
,
Y.
Wang
, and
Z.
Mei
,
Adv. Electron. Mater.
8
,
2100741
(
2022
).
14.
D.
Wakimoto
,
C.-H.
Lin
,
Q. T.
Thieu
,
H.
Miyamoto
,
K.
Sasaki
, and
A.
Kuramata
,
Appl. Phys. Express
16
,
036503
(
2023
).
15.
Y.
Yoon
,
Y.
Kim
,
W. S.
Hwang
, and
M.
Shin
,
Adv. Electron. Mater.
9
,
2300098
(
2023
).
16.
A. T.
Neal
,
S.
Mou
,
S.
Rafique
,
H.
Zhao
,
E.
Ahmadi
,
J. S.
Speck
,
K. T.
Stevens
,
J. D.
Blevins
,
D. B.
Thomson
,
N.
Moser
,
K. D.
Chabak
, and
G. H.
Jessen
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
062101
(
2018
).
17.
W. S.
Hwang
,
A.
Verma
,
H.
Peelaers
,
V.
Protasenko
,
S.
Rouvimov
,
H.
Xing
,
A.
Seabaugh
,
W.
Haensch
,
C. V.
de Walle
,
Z.
Galazka
,
M.
Albrecht
,
R.
Fornari
, and
D.
Jena
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
203111
(
2014
).
18.
Z.
Feng
,
Y.
Cai
,
G.
Yan
,
Z.
Hu
,
K.
Dang
,
Y.
Zhang
,
Z.
Lu
,
H.
Cheng
,
X.
Lian
,
Y.
Xu
,
C.
Zhang
,
Q.
Feng
,
H.
Zhou
,
J.
Zhang
, and
Y.
Hao
,
Phys. Status Solidi A
216
,
1900421
(
2019
).
19.
X.
Wang
,
S.
Yan
,
W.
Mu
,
Z.
Jia
,
J.
Zhang
,
Q.
Xin
,
X.
Tao
, and
A.
Song
,
IEEE Electron Device Lett.
43
,
44
(
2022
).
20.
H.
Zhou
,
M.
Si
,
S.
Alghamdi
,
G.
Qiu
,
L.
Yang
, and
P. D.
Ye
,
IEEE Electron Device Lett.
38
,
103
(
2017
).
21.
M.
Higashiwaki
,
H.
Murakami
,
Y.
Kumagai
, and
A.
Kuramata
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
55
,
1202A1
(
2016
).
22.
Z.
Li
,
Y.
Liu
,
A.
Zhang
,
Q.
Liu
,
C.
Shen
,
F.
Wu
,
C.
Xu
,
M.
Chen
,
H.
Fu
, and
C.
Zhou
,
Nano Res.
12
,
143
(
2018
).
23.
M.
Higashiwaki
,
K.
Sasaki
,
T.
Kamimura
,
M. H.
Wong
,
D.
Krishnamurthy
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
123511
(
2013
).
24.
Y.
Lv
,
X.
Zhou
,
S.
Long
,
Y.
Wang
,
X.
Song
,
X.
Zhou
,
G.
Xu
,
S.
Liang
,
Z.
Feng
,
S.
Cai
,
X.
Fu
,
A.
Pu
, and
M.
Liu
,
Phys. Status Solidi RRL
14
,
1900586
(
2020
).
25.
Y.
Lv
,
X.
Zhou
,
S.
Long
,
X.
Song
,
Y.
Wang
,
S.
Liang
,
Z.
He
,
T.
Han
,
X.
Tan
,
Z.
Feng
,
H.
Dong
,
X.
Zhou
,
Y.
Yu
,
S.
Cai
, and
M.
Liu
,
IEEE Electron Device Lett.
40
,
83
(
2018
).
26.
S. R.
Thomas
,
G.
Adamopoulos
,
Y.-H.
Lin
,
H.
Faber
,
L.
Sygellou
,
E.
Stratakis
,
N.
Pliatsikas
,
P. A.
Patsalas
, and
T. D.
Anthopoulos
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
092105
(
2014
).
27.
K.
Matsuzaki
,
H.
Yanagi
,
T.
Kamiya
,
H.
Hiramatsu
,
K.
Nomura
,
M.
Hirano
, and
H.
Hosono
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
092106
(
2006
).
28.
J.
Kim
,
T.
Sekiya
,
N.
Miyokawa
,
N.
Watanabe
,
K.
Kimoto
,
K.
Ide
,
Y.
Toda
,
S.
Ueda
,
N.
Ohashi
,
H.
Hiramatsu
,
H.
Hosono
, and
T.
Kamiya
,
npg Asia Mater.
9
,
e359
(
2017
).
29.
Z.
Han
,
H.
Liang
,
W.
Huo
,
X.
Zhu
,
X.
Du
, and
Z.
Mei
,
Adv. Opt. Mater.
8
,
1901833
(
2020
).
30.
H.
Liang
,
Z.
Han
, and
Z.
Mei
,
Phys. Status Solidi A
218
,
2000339
(
2021
).
31.
D.
Purnawati
,
J. P.
Bermundo
, and
Y.
Uraoka
,
Appl. Phys. Express
15
,
024003
(
2022
).
32.
K.
Nomura
,
A.
Takagi
,
T.
Kamiya
,
H.
Ohta
,
M.
Hirano
, and
H.
Hosono
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
45
,
4303
(
2006
).
33.
R. A.
Street
,
T. N.
Ng
,
R. A.
Lujan
,
I.
Son
,
M.
Smith
,
S.
Kim
,
T.
Lee
,
Y.
Moon
, and
S.
Cho
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
6
,
4428
(
2014
).
34.
S.
Narushima
,
M.
Orita
,
M.
Hirano
, and
H.
Hosono
,
Phys. Rev. B
66
,
035203
(
2002
).
35.
H.
Hosono
,
K.
Nomura
,
Y.
Ogo
,
T.
Uruga
, and
T.
Kamiya
,
J. Non-Cryst. Solids
354
,
2796
(
2008
).
36.
K.
Lee
,
K.
Nomura
,
H.
Yanagi
,
T.
Kamiya
, and
H.
Hosono
,
Thin Solid Films
520
,
3808
(
2012
).
37.
T.
Orui
,
J.
Herms
,
Y.
Hanyu
,
S.
Ueda
,
K.
Watanabe
,
I.
Sakaguchi
,
N.
Ohashi
,
H.
Hiramatsu
,
H.
Kumomi
,
H.
Hosono
, and
T.
Kamiya
,
J. Disp. Technol.
11
,
518
(
2015
).
38.
K.
Yamaguchi
,
Solid State Commun.
131
,
739
(
2004
).
39.
M. A.
Blanco
,
M. B.
Sahariah
,
H.
Jiang
,
A.
Costales
, and
R.
Pandey
,
Phys. Rev. B
72
,
184103
(
2005
).
40.
J. B.
Varley
,
J. R.
Weber
,
A.
Janotti
, and
C. G.
Van de Walle
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
142106
(
2010
).
41.
J. B.
Varley
,
H.
Peelaers
,
A.
Janotti
, and
C. G.
Van de Walle
,
J. Phys.: Condens. Matter
23
,
334212
(
2011
).
42.
H.
Peelaers
,
J. L.
Lyons
,
J. B.
Varley
, and
C. G.
Van de Walle
,
APL Mater.
7
,
022519
(
2019
).
43.
E. G.
Víllora
,
M.
Yamaga
,
T.
Inoue
,
S.
Yabasi
,
Y.
Masui
,
T.
Sugawara
, and
T.
Fukuda
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
41
,
L622
(
2002
).
44.
M.
Yamaga
,
E. G.
Víllora
,
K.
Shimamura
,
N.
Ichinose
, and
M.
Honda
,
Phys. Rev. B
68
,
155207
(
2003
).
45.
M.
Yamaga
,
H.
Tsuzuki
,
S.
Takano
,
E. G.
Villora
, and
K.
Shimamura
,
J. Non-Cryst. Solids
358
,
2458
(
2012
).
46.
J.
Bang
,
S.
Matsuishi
, and
H.
Hosono
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
232105
(
2017
).
47.
Y.
Hanyu
,
K.
Domen
,
K.
Nomura
,
H.
Hiramatsu
,
H.
Kumomi
,
H.
Hosono
, and
T.
Kamiya
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
202114
(
2013
).
48.
C.-H.
Hsu
,
X.-P.
Geng
,
W.-Y.
Wu
,
M.-J.
Zhao
,
X.-Y.
Zhang
,
P.-H.
Huang
, and
S.-Y.
Lien
,
Molecules
25
,
5043
(
2020
).
49.
Y.
Magari
,
T.
Kataoka
,
W.
Yeh
, and
M.
Furuta
,
Nat. Commun.
13
,
1078
(
2022
).
50.
M. H.
Wong
,
Y.
Nakata
,
A.
Kuramata
,
S.
Yamakoshi
, and
M.
Higashiwaki
,
Appl. Phys. Express
10
,
041101
(
2017
).
51.
N. A.
Moser
,
J. P.
McCandless
,
A.
Crespo
,
K. D.
Leedy
,
A. J.
Green
,
E. R.
Heller
,
K. D.
Chabak
,
N.
Peixoto
, and
G. H.
Jessen
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
143505
(
2017
).
52.
Y.
Yoon
,
M. J.
Kim
,
B. J.
Cho
,
M.
Shin
, and
W. S.
Hwang
,
Appl. Phys. Lett.
119
,
122103
(
2021
).
53.
F. H.
Alshammari
,
M. K.
Hota
,
Z.
Wang
,
H.
Al-Jawhari
, and
H. N.
Alshareef
,
Adv. Electron. Mater.
3
,
1700155
(
2017
).
54.
H.
Chang
,
C.-H.
Huang
, and
K.
Nomura
,
ACS Appl. Electron. Mater.
3
,
4943
(
2021
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.