有机自组装分子修饰的高稳定性柔性氧化物薄膜晶体管研究

Metal-oxide thin-film transistor (MO-TFT) is considered as the most suitable technology for active matrix organic light-emitting diode (AMOLED) due to its advantages of relatively high mobility, good electricity uniformity, high transparency to visible light, low processing temperature and low cost. In this application project we will focus on the stability and bendability for flexible MO-TFTs and develop a novel high-stability MO semiconductor material with high mobility. Then we will research its composition, film structure, energy band structure and carrier transportation rule, realizing the balance of mobility and stability under low process temperature and preparing flexible MO-TFTs. Furthermore, we will modify the back channel with self-assembled molecules (SAM) to passivate the defects and reduce the surface energy of back channel. We will in-depth study the self-assembled process on the back channel, the scientific problems of the interface between SAM and back channel and the influence of the type and quantity of functional groups contained in SAM on device performance. Finally, we will successfully fabricate high-stability flexible MO-TFTs modified by SAM, which will accelerate the promotion of flexible AMOLED display industry.

金属氧化物薄膜晶体管（MO-TFT）由于具有载流子迁移率高、电学均匀性好、对可见光透明、制备温度低以及成本低等优点而被认为是适合驱动下一代有源矩阵有机发光二极管（AMOLED）显示的最有前景的背板技术。本申请项目围绕柔性MO-TFT的稳定性和可弯曲性问题，设计一种高稳定性、高迁移率的MO半导体材料，深入研究材料的组分、薄膜结构、能带结构、载流子输运规律等，实现低温工艺下迁移率与稳定性的平衡，制备柔性MO-TFT器件；利用有机自组装分子（SAM）修饰有源层背沟道钝化背沟道表面缺陷、降低背沟道表面能，重点研究SAM在背沟道表面的自组装机理、SAM与背沟道之间的界面科学问题以及SAM所含功能基团的种类、数量对器件性能的影响规律，实现高稳定性、弯曲性能良好的柔性MO-TFT研制，以加速柔性AMOLED显示产业的推进。

随着社会的进步、科技的发展，人们对显示的品质要求越来越高，显示正朝着大尺寸、高分辨率、柔性等方向发展。特别地，柔性有机发光二极管显示（AMOLED）不仅具有高色域、低能耗、低成本等特点，而且还具有轻薄、耐摔等诸多优点，成为各国争相抢战的技术高点。金属氧化物薄膜晶体管（MO-TFT）由于具有合适的迁移率、较低的工艺温度被认为是最适合驱动下一代柔性AMOLED显示的背板技术。本项目致力于研制高稳定性、高迁移率、弯折性能良好的柔性MO-TFT器件，围绕器件稳定性问题以及可弯曲性问题，从材料设计、器件结构、工艺技术等方面展开了系统研究，具体如下：.（1）采用理论、实验相结合的方法，基于氧空位理论，对本体材料In2O3进行掺杂，实现了高迁移率ZrInO材料设计。利用VASP软件对材料的能带结构、态密度进行计算，发现适量的Zr元素掺杂确实能有效提高材料的迁移率；通过实验的方法对材料成份进行优化后，利用磁控溅射的方法在室温下制备的薄膜Hall迁移率超过40 cm2V-1s-1。.（2）利用有机无机薄膜复合的概念制备了SiNx/Photoresit/SiNx复合水氧阻隔层，综合了SiNx薄膜水氧阻隔能力强和photoresist柔韧性好的特点。我们系统优化了薄膜的制备工艺、薄膜厚度、薄膜缺陷态，制备了高质量的水氧阻隔层，工艺温度120 oC，水汽渗透率1× 10 -5 gm-2d-1。.（3）采用阳极氧化的方法在室温制备了高质量的A2O3栅绝缘层，我们研究了阳极氧化的最优工艺条件、影响有源层薄膜和栅绝缘层界面状态的因素，所制备的Al2O3薄膜在10KHz下介电常数为9.5。.（4）利用有机自组装分子对器件背沟道修饰，研究了有机SAM在背沟道表面的自组装机理、有机SAM分子对水氧的抑制作用以及有机SAMs与背沟道的界面耦合问题，实现了高稳定性柔性器件的制备。器件迁移率30~39 cm2V-1s-1，阈值电压–0.3V，开关电流比3.5×109，亚阈值摆幅0.09 V/decade，阈值电压移小于0.5 V/h（正向阈值电压移0.38V@VGS=20V, 1h;负向阈值电压移–0.2V @VGS= –20V, 1h），最小可弯曲半径5 mm。