銦鋅氧化物薄膜晶體管和高功函數(shù)TCO薄膜的研究.pdf

1、有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管(Active Matrix Organic Light Emitting Diode，AMOLED)顯示具有輕薄、反應(yīng)速度快、對比度高、視角廣等特點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代顯示技術(shù)。其使用的薄膜晶體管(TFT)主要有兩種，一種是非晶硅(a-Si)TFT，一種是多晶硅(p-Si)TFT。由于a-Si TFT的載流子遷移率小于1 cm2/V·s，不能適應(yīng)快速、大面積和更高清晰度顯示的需求；a-Si薄膜是不透明的，像素開口率達(dá)

2、不到100％，為了獲得足夠的亮度，就需要增加光源強(qiáng)度，從而增加功率消耗；a-Si材料在可見光范圍內(nèi)是光敏材料，在可見光照射下將使TFT性能惡化。低溫多晶硅(LTPS)TFT憑借其較高的載流子遷移率具有反應(yīng)速度快、亮度高、清晰度好等優(yōu)點(diǎn)，是一種繼a-Si TFT的主流技術(shù)。但是，p-Si TFT技術(shù)同時(shí)具有均勻性差、工藝復(fù)雜、設(shè)備昂貴、成本高等問題；其工藝溫度對有機(jī)基板而言非常之高，不能適應(yīng)柔性顯示的需求；而且LTPS-TFT也不透明，同

3、樣存在光敏性問題。
　　OLED的工作原理基本上可以分為載流子的注入、載流子的傳輸和載流子復(fù)合及輻射衰減三個(gè)過程。載流子注入是指載流子通過電極/有機(jī)層界面從電極進(jìn)入有機(jī)層的過程。該過程的難易程度對器件的工作電壓、效率和壽命有直接的影響。選擇合適的電極材料并對電極進(jìn)行修飾是提高載流子注入和實(shí)現(xiàn)注入平衡的重要途徑。如果仔細(xì)考察一下OLED的發(fā)展歷史就會(huì)發(fā)現(xiàn)，OLED效率和穩(wěn)定性提高的過程在某種意義上說也是電極改善的過程。高功函數(shù)陽極可

4、以降低陽極和空穴傳輸層之間的勢壘，改善空穴的注入效果，進(jìn)而改善器件的性能。
　　針對上述課題，本課題開展了銦鋅氧化物半導(dǎo)體TFT以及高功函數(shù)透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜的研究。透明氧化物半導(dǎo)體(TOS)如In2O3和ZnO的載流子遷移率相對較高，工藝溫度較低，在均勻性、成本和適用基板等方面也具有優(yōu)越性。因此如果在TFTLCD或AMOLED中采用透明氧化物半導(dǎo)體TFT替代a-SiTFT或p-Si TFT作為像素開關(guān)，將大大提高有源矩

5、陣的開口率，從而提高亮度，降低功耗；因?yàn)橹苽錅囟容^低甚至是室溫，所以氧化物TFT又適用于柔性顯示。與采用空穴注入緩沖材料如酞菁銅(CuPc)等技術(shù)不同，高功函數(shù)TCO薄膜的研制僅需在制備TCO薄膜的工藝中增加一個(gè)靶材，與現(xiàn)有的OLED生產(chǎn)工藝的相容性好，方法簡單，成本低廉，具有產(chǎn)業(yè)化的前景，也有將此技術(shù)移植到ITO的制備工藝中的潛能，能夠?yàn)榇笠?guī)模使用高功函數(shù)TCO的技術(shù)奠定基礎(chǔ)。論文開展的主要研究工作和取得的成果如下：
　　采用直

6、流反應(yīng)磁控濺射InZn合金靶，在玻璃襯底上制備了非晶透明銦鋅氧化物(a-IZO)半導(dǎo)體薄膜。研究了銦鋅含量比和氧分量等參數(shù)對a-IZO半導(dǎo)體薄膜的電學(xué)和光學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)制備過程中的氧分壓，在保證可見光平均透射率大于80％的前提下，實(shí)現(xiàn)了a-IZO薄膜的電阻率可在10-3 ohm·cm到106 ohm·cm量級(jí)范圍內(nèi)的調(diào)制，而且所制備的a-IZO薄膜具有良好的表面平整性，表面方均根粗糙度小于1 nm。這對探索全透明T

7、FT器件的溝道層和電極材料具有重要意義。
　　論文研究了頂柵和底柵結(jié)構(gòu)的IZO-TFT。其中，以磁控濺射法室溫制備a-IZO半導(dǎo)體溝道層，以脈沖等離子體沉積(PPD)技術(shù)制備Si02介質(zhì)層薄膜。頂柵結(jié)構(gòu)氧化硅介質(zhì)層IZO-TFT器件的閾值電壓和遷移率分別為-2.4 V和0.25cm2V-1s-1；底柵結(jié)構(gòu)氧化硅介質(zhì)層IZO-TFT器件的閾值電壓和遷移率分別為0.94 V和5.2cm2 V-1s-1，器件的開關(guān)比約為104。實(shí)驗(yàn)證實(shí)

8、了PPD制備的SiO2介質(zhì)層構(gòu)成的TFT，也能顯示良好的器件性能。以直流磁控濺射法制備的。Ta2O5作為介質(zhì)層，制備了頂柵結(jié)構(gòu)氧化鉭介質(zhì)層IZO-TFT器件，器件的閾值電壓和遷移率分別為0.22 V和1.1 cm2 V-1s-1。
　　提出了氧化物半導(dǎo)體溝道層和有機(jī)介質(zhì)層研制TFT的思路。采用提拉和旋涂方法低溫制備了絕緣性和透明性良好的聚乙烯吡咯烷酮有機(jī)介質(zhì)層。以此有機(jī)介質(zhì)層和a.IZO溝道層結(jié)合成功制備了高性能無機(jī)-有機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)

9、的IZO-TFT，器件遷移率、閾值電壓和開關(guān)比分別為7.8 cm2V-1s-1、-4.8 V和3.9×105。研究表明，氧分壓比較高的條件下制備的IZO薄膜，其載流子遷移率比較低，以它為溝道層制備的TFT器件的遷移率也比較低。
　　采用旋涂法室溫制備聚四乙烯苯酚(PVP)有機(jī)介質(zhì)層，其可見光平均透射率也大于85％。采用濺射法室溫制備表面平整的a-IZO半導(dǎo)體薄膜。以a-IZO作為溝道層、PVP作為介質(zhì)層，室溫制備了頂柵結(jié)構(gòu)的無機(jī)有

10、機(jī)混合型TFT，測試結(jié)果表明該類型的TF工具有飽和特性，且顯示耗盡工作模式。TFT的閾值電壓為-1.5 V，遷移率為3.3 cm2V-1s-1，開關(guān)比為103。聚四乙烯苯酚有機(jī)介質(zhì)層旋涂后，進(jìn)行低溫烘烤處理，烘烤處理后，薄膜晶體管的遷移率、閾值電壓和開關(guān)比分別為3.8 V、25.4 cm2V-1s-1和>106。器件的性能得到了改善，這是由于烘烤有利于去除有機(jī)層中溶劑的殘余成分和改善有機(jī)層與溝道層之間的界面狀念。實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了該種TFT

11、的良好性能和應(yīng)用前景。
　　論文在采用直流磁控濺射法研制了具有優(yōu)良光學(xué)和電學(xué)性能的摻鎢氧化銦(IWO)透明導(dǎo)電氧化物薄膜的基礎(chǔ)上，研究了退火處理工藝對IWO薄膜光學(xué)和電學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)IWO薄膜的光學(xué)和電學(xué)性能對氧分壓非常敏感，退火處理有助于改善IWO薄膜的電阻率，獲得了最小電阻率為2.2×104 ohm·cm，載流子遷移率高達(dá)63.5 cm2V-1s-1，可見光范圍平均透射率(含基片)83.2％的光學(xué)和電學(xué)性能優(yōu)良的IWO

12、薄膜。
　　在IWO薄膜研究工作的基礎(chǔ)上，探索性地開展了鉑鎢共摻高功函數(shù)薄膜In2O3：Pt，W的研究。在IWO薄膜之上，研制一層很薄的鉑鎢共摻氧化銦薄膜，通過改變摻鉑含量和鉑鎢共摻氧化銦薄膜的厚度，實(shí)現(xiàn)了既保持透明性，有能有效調(diào)制功函數(shù)的In2O3：Pt，W透明導(dǎo)電氧化物薄膜。利用XPS和AFM等分析表征In2O3：Pt，W薄膜的化學(xué)價(jià)態(tài)以及表面形貌。In2O3：Pt，W薄膜的表面方均根粗糙度小于7 nm。采用UPS表征樣品的表

13、面功函數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，In2O3：Pt，W薄膜中Pt含量為6.7 at.％，薄膜厚度為10 nm時(shí)，In2O3：Pt，W薄膜的功函數(shù)由原來的IWO薄膜的4.6 eV提高到了5.5 eV，這時(shí)薄膜的電阻率為5.7×10-4 ohm·cm，可見光范圍的平均透射率為82.7％，證實(shí)了高功函數(shù)元素可以有效提高透明導(dǎo)電氧化物薄膜的功函數(shù)，為研制高功函數(shù)TCO薄膜提供了有價(jià)值的思路。
　　在高功函數(shù)In2O3：Pt，W研究的基礎(chǔ)上，以IWO

14、/In2O3：Pt，W薄膜為陽極，研制了IWO/In2O3：Pt，W/NPB/Alq3/LiF/Al結(jié)構(gòu)的OLED器件。研究結(jié)果表明，當(dāng)該器件的工作電壓為14 V時(shí)，電流密度和發(fā)光亮度分別達(dá)到1600 mh/cm2和2.5×104 cd/m2。而采用ITO薄膜為陽極，以同樣結(jié)構(gòu)和同樣工藝條件制備的OLED器件，在相同的工作電壓條件下，其電流密度和發(fā)光亮度僅為950 mA/cm2和7.2×103cd/m2，證實(shí)了高功函數(shù)陽極能有效降低OL