基于低溫溶液工藝的氧化物半導(dǎo)體器件及其應(yīng)用的研究.pdf

1、現(xiàn)代顯示技術(shù)對高性能薄膜晶體管（Thin film transistor,TFT）的需求促進(jìn)了氧化物半導(dǎo)體（Oxide semiconductor）的快速發(fā)展。近年來，氧化物半導(dǎo)體對低成本工藝的追求使得新型溶液工藝備受關(guān)注，其具備工藝簡單、化學(xué)成分易控制、與大面積打印技術(shù)兼容的優(yōu)勢。在溶液法制備Oxide TFT研究的初期，研究者多致力于高性能的半導(dǎo)體層的研發(fā)，用于制備半導(dǎo)體層的前驅(qū)體有金屬鹽類溶液和氧化物納米顆粒的懸浮液體，通常需進(jìn)行

2、至少400℃的退火。然而為了在柔性襯底上實現(xiàn)TFT器件，器件的制備溫度需控制在200℃以下。另一方面，絕緣層的物理、化學(xué)、電學(xué)性能對金屬-絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的晶體管至關(guān)重要。目前大部分溶液法Oxide TFT中，很少器件的半導(dǎo)體層和絕緣層均采用溶液工藝制備，而且關(guān)于低溫溶液法制備的絕緣層也鮮有報道。本文工作將致力于低溫溶液工藝制備的Oxide TFT的半導(dǎo)體層和絕緣層的研究，對所制備的器件進(jìn)行簡單的電路的設(shè)計與實現(xiàn)，并與氧化物的紫外光探

3、測器相集成。
　　首先是對半導(dǎo)體層的研究，以非摻雜的氧化鋅（Zinc oxide，ZnO）半導(dǎo)體為研究對象，探索了鋅氨絡(luò)合物前驅(qū)體溶液制備氧化物半導(dǎo)體層。從退火溫度、退火環(huán)境、退火時間和旋涂工藝幾個方面對ZnO半導(dǎo)體層進(jìn)行優(yōu)化，以改善ZnO TFT的器件性能。另外，還研究的了封裝對ZnO TFT的影響，未封裝的器件由于其半導(dǎo)體層背表面暴露于大氣中，與環(huán)境中氣體分子相互作用，ZnO TFT體現(xiàn)嚴(yán)重的回滯現(xiàn)象，且恒壓偏置穩(wěn)定性較差。采

4、用低溫（75℃）溶液法的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）薄膜對器件進(jìn)行封裝后，ZnO TFT的可靠性得到了明顯的改善。在半導(dǎo)體層退火溫度僅為200℃的條件下，所制備的ZnO TFT的遷移率為0.9cm2/V·s，開關(guān)電流比為107，亞閾值擺幅為0.6V/dec。
　　在絕緣層方面，分別嘗試了低溫溶液法的有機聚合物絕緣材料和無機金屬氧化物。將溶液法制備的紫外光交聯(lián)的聚乙烯醇（Polyvinyl A

5、lcohol，PVA），用作ZnO TFT的絕緣層，在合適的工作電壓范圍內(nèi)，器件體現(xiàn)良好的晶體管性能，遷移率為0.4cm2/V·s，開關(guān)比接近104。并采用PVA絕緣層，在PEN襯底上實現(xiàn)了柔性的ZnO TFT，器件的各項參數(shù)與玻璃襯底上實現(xiàn)的器件基本相同，經(jīng)過100次彎曲測試后，器件仍體現(xiàn)良好的晶體管性能。利用溶液法、紫外光退火工藝制備了5nm厚的高介電常數(shù)的（k）氧化鋯（Zirconium dioxide，ZrO2）薄膜，其擊穿強度

6、高達(dá)18MV/cm。將該絕緣層用作溶液法的ZnO TFT的絕緣層時，器件的整個制備過程的退火溫度可控制在150℃以下，且實現(xiàn)了低工作電壓(3V) ZnO TFT，器件的遷移率為0.45cm2/V·s，開關(guān)電流比為105，閾值電壓為0.1V，亞閾值擺幅為0.25 V/dec。
　　基于上述以ZrO2為絕緣層的低電壓（<3V）ZnO TFT，進(jìn)行簡單電路的設(shè)計與實現(xiàn)。在驅(qū)動電路方面提出了一種有源矩陣有機發(fā)光二極管（Active Mat

7、rix Organic Light Emitting Diode，AMOLED）集成技術(shù)，將底發(fā)光的OLED面板與驅(qū)動電路背板分別制備在兩個襯底上，通過面板與背板的集成形成頂發(fā)光效果的AMOLED。通過玻璃上制備的n型低電壓ZnO TFT作為簡化的驅(qū)動電路，來驅(qū)動底發(fā)光結(jié)構(gòu)的藍(lán)光OLED，驗證了方案的可行性。這種n型TFT構(gòu)成的像素電路與底發(fā)光結(jié)構(gòu)OLED相集成的技術(shù)有效的提高了像素的開口率。在基本邏輯電路方面，基于低電壓的ZnO TF

8、T實現(xiàn)了n型單極性反相器，在供電電壓僅為3V的工作條件下，反相器的增益達(dá)到-26?？紤]到氧化物半導(dǎo)體難以實現(xiàn)p型器件，將n型ZnO TFT與同樣低電壓的p型有機薄膜晶體管相結(jié)合，在相同的襯底上利用兩種TFT實現(xiàn)了溶液法、低電壓、互補型反相器，反相器能展現(xiàn)理想的電壓反轉(zhuǎn)功能，增益為-15.7。
　　最后，利用ZnO半導(dǎo)體的紫外光敏感性，以低溫溶液法的ZnO薄膜作為紫外光探測器的敏感材料，對比了歐姆接觸和肖特基接觸的紫外光探測器的區(qū)別