柔性铟镓锌氧化物薄膜晶体管应力匹配性及机械稳定性研究

Indium gallium zinc oxide thin-film transistor (IGZO TFT) will be applied widely in flexible optoelectronic devices due to the high mobility and other advantages. The perfect stabilities of IGZO TFT under the mechanical action like bending are vital to its applications. The study focuses on the relationships between electromechanical stabilities and internal stress distribution of IGZO TFT, to explore the rules of internal stress distribution in the TFT and the mechanism to explan the rules, to know well the evolution process and mechanism of the TFT stabilities under the internal and exterior stresses, and to propose the technology solutions to improve the electromechanical stabilities. 1. To design the structure of TFT and simulate the effects of the structure on the distribution of internal stress; 2. To analyze the methods and mechanism of regulating experimentally the internal stress distribution of TFT, and the influencing mechanism of internal stress distribution on the electrical characteristics of TFT; 3. To investigate the evolution process of the TFT stabilities under mechanical stress, and to establish a model based on the relationships between the electrical properties and the exterior stress variables; 4. To analyze the mechanism of TFT stabilities under the exterior stress by the analysis of device microstructure in conjunction with the internal stress distribution. The researches are helpful to break through the technical bottleneck of affecting the electromechanical stabilities, and provide us theory evidence and technical support to improve the electromechanical stabilities of flexible IGZO TFT.

铟镓锌氧化物薄膜晶体管(IGZO TFT)由于高迁移率等优势将广泛应用于柔性光电子器件中。机械应力作用下柔性TFT具备良好的稳定性是其应用于柔性器件的关键。本项目以柔性IGZO TFT内应力分布和机械稳定性的相互关联性为研究重点，探索TFT内应力分布规律及其影响机制，掌握内外应力作用下柔性TFT机械稳定性的演绎过程和机理，提出改善柔性IGZO TFT机械稳定性的技术方案。具体研究内容包括：1.器件结构设计及其对内应力分布影响的仿真计算；2.器件内应力分布实验调控及其机理，内应力分布对器件电学特性影响机制分析；3.机械应力作用下器件稳定性演绎过程分析，建立器件电学特性和外应力变量的关系模型；4.通过器件微观结构分析，结合器件内应力分布特征，研究器件机械稳定性演绎机理。本项目研究有利于突破影响柔性IGZO TFT机械稳定性的技术瓶颈，为增强柔性IGZO TFT机械稳定性提供理论依据和技术支撑。

随着可折叠手机的陆续上市，各大厂商暴露出产能及屏幕折叠寿命的不良的问题，大大影响了消费者的体验，导致消费者对成熟稳定的便携式、可弯折、可穿戴柔性显示产品期待日益增强，使得柔性显示器件在消费群体中获得了空前的热度，从而引起了业界的重点关注。透明金属氧化物薄膜晶体管（TMO-TFT）作为显示技术的关键主件，其机械应力作用下的稳定性问题成为实现TMO-TFT柔性化的关键。本项目面向TMO-TFT的柔性化，开展了针对TMO-TFT各膜层薄膜内应力分布和机械稳定性相互间关联性的研究。主要研究内容与成果如下：1.在基于各功能层薄膜生长条件及结构设计对内应力分布影响的仿真计算的基础上，采用PECVD生长氮化硅，氧化硅薄膜，验证仿真计算结果；进而通过厘清薄膜生长温度，薄膜厚度及薄膜组合结构对薄膜内应力分布的影响，为后续TMO-TFT器件的制备提供指导。研究表明薄膜与柔性基底之间的应变失配会导致薄膜样品弯曲甚至破裂。2.通过对无机薄膜、有机薄膜在机械应力作用下薄膜各区域受力情况的模拟计算，研究表明有机无机薄膜合理的复合有助于降低外应力对无机薄膜的影响；结合不同膜层的应力模式，通过氧化硅与氮化硅叠层薄膜的制备，实现其内应力补偿；进一步在叠层薄膜中引入纳米粒子掺杂PMMA薄膜，实现复合薄膜外应力的释放，最终获得10000次弯曲情况下性能稳定的纳米复合薄膜。3.选择高k材料作为栅绝缘层，从而在保证等效厚度的情况下降低栅绝缘层厚度；采用溶液法制备有源层，使得有源层薄膜厚度从40nm降低至10nm，从而实现TMO-TFT各功能层薄膜整体厚度的降低，最终减小由薄膜厚度造成的薄膜内应力分布的影响。4. 根据不同膜层应力模式的区别，通过膜层设计，采用多层膜融合的方式，在250℃条件下实现高性能IGZO-TFT的制备；此外，我们开发了基于NH3等离子处理的低温制备技术，成功实现了130℃制备温度下高性能氧化铟（In2O3）TFT的制备，最大程度上减小了后续薄膜制备温度对薄膜与基底的应变失配受的影响，该方法有别于现有的低温激活工艺，是一种完全具有自主知识产权的方法。以上研究内容对柔性TFT制备，柔性TFT机械应力稳定性及高性能水氧阻隔层的制备提供了理论依据和技术支撑。