基于低溫溶液工藝的氧化物半導體器件及其應用的研究.pdf

1、現代顯示技術對高性能薄膜晶體管（Thin film transistor,TFT）的需求促進了氧化物半導體（Oxide semiconductor）的快速發展。近年來，氧化物半導體對低成本工藝的追求使得新型溶液工藝備受關注，其具備工藝簡單、化學成分易控制、與大面積打印技術兼容的優勢。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體層的研發，用于制備半導體層的前驅體有金屬鹽類溶液和氧化物納米顆粒的懸浮液體，通常需進行

2、至少400℃的退火。然而為了在柔性襯底上實現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、電學性能對金屬-絕緣層-半導體結構的晶體管至關重要。目前大部分溶液法Oxide TFT中，很少器件的半導體層和絕緣層均采用溶液工藝制備，而且關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的半導體層和絕緣層的研究，對所制備的器件進行簡單的電路的設計與實現，并與氧化物的紫外光探

3、測器相集成。
　　首先是對半導體層的研究，以非摻雜的氧化鋅（Zinc oxide，ZnO）半導體為研究對象，探索了鋅氨絡合物前驅體溶液制備氧化物半導體層。從退火溫度、退火環境、退火時間和旋涂工藝幾個方面對ZnO半導體層進行優化，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體層背表面暴露于大氣中，與環境中氣體分子相互作用，ZnO TFT體現嚴重的回滯現象，且恒壓偏置穩定性較差。采

4、用低溫（75℃）溶液法的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）薄膜對器件進行封裝后，ZnO TFT的可靠性得到了明顯的改善。在半導體層退火溫度僅為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，器件體現良好的晶體管性能，遷移率為0.4cm2/V·s，開關比接近104。并采用PVA絕緣層，在PEN襯底上實現了柔性的ZnO TFT，器件的各項參數與玻璃襯底上實現的器件基本相同，經過100次彎曲測試后，器件仍體現良好的晶體管性能。利用溶液法、紫外光退火工藝制備了5nm厚的高介電常數的（k）氧化鋯（Zirconium dioxide，ZrO2）薄膜，其擊穿強度

6、高達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，且實現了低工作電壓(3V) ZnO TFT，器件的遷移率為0.45cm2/V·s，開關電流比為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，進行簡單電路的設計與實現。在驅動電路方面提出了一種有源矩陣有機發光二極管（Active Mat

7、rix Organic Light Emitting Diode，AMOLED）集成技術，將底發光的OLED面板與驅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作為簡化的驅動電路，來驅動底發光結構的藍光OLED，驗證了方案的可行性。這種n型TFT構成的像素電路與底發光結構OLED相集成的技術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，反相器的增益達到-26?？紤]到氧化物半導體難以實現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合，在相同的襯底上利用兩種TFT實現了溶液法、低電壓、互補型反相器，反相器能展現理想的電壓反轉功能，增益為-15.7。
　　最后，利用ZnO半導體的紫外光敏感性，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別