可用于柔性光電子器件的薄膜晶體管研究.pdf

1、大面積柔性化光電子領(lǐng)域的發(fā)展亟需要新型半導(dǎo)體材料，這類半導(dǎo)體材料需滿足良好的機械柔性，并且電學(xué)性能要高于傳統(tǒng)的非晶硅半導(dǎo)體。與傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體和其他的III-V族系列半導(dǎo)體相比，有機半導(dǎo)體材料有著非常良好的機械柔性，但電學(xué)性能和穩(wěn)定性方面存在著較大問題。而金屬氧化物半導(dǎo)體材料由于其高遷移率（μ,1–100 cm2V-1s-1）、高光學(xué)透過性、長時間的電學(xué)穩(wěn)定性、以及良好的機械彎折特性，因此在薄膜晶體管（Thin film transis

2、tor, TFT）的應(yīng)用上有著明顯的優(yōu)勢。但截止到目前，金屬氧化物薄膜的制備依然大量地依靠諸如濺射、等離子激光沉積、離子輔助沉積等方法。真空沉積的技術(shù)的成本高，制備面積型對較小，而且柔性化困難。為了克服這些弊端，本論文的主要工作在于提高有機TFT的載流子遷移率，然后重點開發(fā)新型的低溫溶液方法來大規(guī)模制備高性能的金屬氧化物薄膜，以及基于金屬氧化物的TFTs。本文的工作主要包括以下四個部分：
　　1、研究了有機TFT的源漏電極與有機半

3、導(dǎo)體層的界面特性。通過采用空穴傳輸型有機材料，空穴注入型有機材料作為有機TFT的界面修飾層，通過優(yōu)化界面修飾材料的厚度，研究了載流子注入和接觸電阻以及器件電學(xué)性能的變化；同時，分析并研究了金屬源漏電極沉積速率對有機TFT器件性能的影響。
　　2、提出了具有協(xié)同效應(yīng)的溶液法高性能金屬氧化物TFTs。在協(xié)同效應(yīng)系統(tǒng)里邊，采用了雙層金屬氧化物有源層結(jié)構(gòu)：氧化銦（In2O3）/氧化銦鎵（IGO）。兩種金屬氧化物均采用低溫溶液“燃燒”法。在

4、250℃下獲得的具有協(xié)同效應(yīng)雙有源層TFTs的遷移率達到了2.6 cm2/Vs，5倍于單層IGO TFTs的遷移率（0.5 cm2/Vs），甚至非常接近單層In2O3 TFTs的遷移率（3.2 cm2/Vs）。相對于遷移率來講同樣重要的TFT參數(shù)，閾值電壓和開關(guān)電流比也得到了大幅提升。雙有源層TFTs的閾值電壓接近0 V，同時開關(guān)電流比更是高達108，相比于單層In2O3 TFTs的開關(guān)電流比（104）高了4個數(shù)量級。通過多種表征手段，

5、包括原子力顯微鏡、X射線衍射、X射線能譜、以及透射電子電鏡，研究了協(xié)同效應(yīng)雙有源層的微結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果顯示了In2O3的多晶特性，以及IGO的非晶形貌。
　　3、提出了金屬氧化物聚合物雜化體系非晶態(tài)的半導(dǎo)體層，并首次采用聚合物摻雜的氧化銦薄膜獲得了超柔性化的非晶金屬氧化物TFT。這部分工作，采用少量聚乙烯基苯酚（PVP）在In2O3薄膜中摻雜，首次提出了基于溶液法的金屬氧化物/聚合物復(fù)合體系的超柔性TFT器件。在系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整In2O

6、3與PVP的比例，可以有效的抑制In2O3薄膜的結(jié)晶，控制In2O3薄膜的載流子濃度的情況下，保持了載流子在此雜化體系薄膜中的傳輸。最終，采用 AryLite塑料作為襯底，優(yōu)化下In2O3:5％PVP的柔性TFT器件的遷移率在彎折前可以達到11 cm2V-1s-1。更為重要的是，在10毫米半徑的反復(fù)機械彎折100次后，柔性TFT器件仍然保持著90%以上的電學(xué)性能。本該工作打開了設(shè)計低溫下非晶金屬氧化的新路徑，為下一代高性能柔性微納米電子

7、器件奠定了堅實的進程并創(chuàng)造了更大的可能性。
　　4、提出了噴涂燃燒合成法（SCS）制備高性能金屬氧化物薄膜。在該部分工作中，采用SCS方法，實現(xiàn)了在低溫下利用溶液法制備多種高質(zhì)量的金屬氧化物薄膜，包括金屬氧化物In2O3、氧化物銦鋅（IZO）、氧化物銦鎵鋅（IGZO）。其次，采用SCS方法，薄膜的沉積過程可以在連續(xù)的一步過程中完成，和常規(guī)的溶液法相比，縮短了過程時間10倍。更為重要的是，采用SCS獲得的IGZO TFT在全球范圍內(nèi)