基于全溶液法的低功耗柔性氧化物薄膜晶体管材料与器件研究

This project focuses on the research of all-solution-processed low-voltage oxide thin-film transistors(TFTs) driving flexible active-matrix organic light emitting diode(AMOLED) display. Based on the improved organo-metallic precursor, we developed the uniform solution-formulation based on conducting electrode, gate dielectrics and oxide semiconductor, which was made up of organo-metal, organic-amine, oleic acid and solvent. And then the corresponding high-quality thin-films were also developed by the new processing techniques, including UV/IR or/and improved thermal-annealing process. At last all-solution-processed low-voltage oxide TFTs will be fabricated and 2T1C oxide TFT-AMOLED array will also be demonstrated.

氧化物薄膜晶体管是柔性显示领域的核心技术，而全溶液法技术的引入可进一步实现其低成本、易大面积和高效率产出的优势。本项目围绕低功耗柔性氧化物薄膜晶体管背板技术中的可溶液金属导电层、绝缘层和半导体层制备与薄膜性能进行系统性研究，采用有机金属盐、醇胺、油酸和溶剂的通用前驱体溶液新配方与紫外/红外双光源退火新技术相结合，通过研究前驱体溶液材料与薄膜生长的科学关系，提升薄膜综合性能和其界面特性，获得高质量的溶液法导电层、绝缘层和半导体层薄膜。同时通过研究薄膜界面与薄膜器件的科学关系，获得全溶液法制作的高性能低功耗柔性氧化物薄膜晶体管器件，并通过制备2T1C氧化物TFT-AMOLED阵列样机展示器件的可靠性。项目将积累全溶液低功耗氧化物薄膜晶体管的材料、工艺和器件等关键技术，为我国下一代柔性显示的产业化起到重要推动作用。

基于全溶液法的氧化物薄膜晶体管将成为未来低成本柔性显示领域的核心技术之一，基于此，本项目重点针对无颗粒银墨水及其纳米导电薄膜制备、氧化锆前驱体溶液合成及其薄膜制备、铟镓锌氧化物前驱体溶液合成及其薄膜器件制备等主要内容展开系统研究。针对溶液法银导电薄膜，本项目提出了基于高沸点醇胺还原剂的有机-金属分解的前驱体配方，研究了不同沸点醇胺还原剂对金属薄膜导电性和粗糙度的影响。同时提出两步退火烧结工艺和双层旋涂工艺相结合的新方法，探索和完善了银纳米薄膜成核机理，建立了银纳米薄膜物理结构和薄膜性能（如导电率、表明粗糙度等）的关系，实现了高导电性和低粗糙度的银导电薄膜制备。该方法的提出有效调和现有方法中粗糙度与导电性相互矛盾的问题，同时其内在物理机理能有效补充现有金属纳米颗粒的成膜机制。针对溶液法氧化锆薄膜，本项目首次提出了在乙醇胺和乙酰丙酮锆配方基础上加入油酸改善氧化锆薄膜的成膜效果，探索其内在物理机理。同时通过引入紫外/红外双光源退火工艺，与传统热退火工艺相比，该方法能够在较低温度条件下实现锆盐分解还原氧化形成高质量氧化锆薄膜，系统性地研究了溶液法低温制备氧化锆薄膜材料特性，以期揭示氧化锆的成膜物理机理，为其他同类金属氧化物的制备提供了重要参考。其次将其作为薄膜晶体管绝缘层，成功获得了低工作电压（≤4 V）的有源电子元器件。该实验结果也预示着低温氧化锆有望应用于未来柔性电子器件、光电器件等领域。针对溶液法IGZO半导体层薄膜，本项目提出了基于乙酰丙酮金属盐的有机-金属盐分解实现溶液法制备IGZO半导体薄膜的方法，以调节Ga摩尔比改变材料配比，通过优化热退火工艺，研究IGZO薄膜氧空缺率与薄膜晶体管器件性能的科学关系，同时探索工艺对成膜质量和器件性能影响的物理机理。除此之外，基于态密度（DOS）模型，仿真分析态密度各物理参数对器件性能影响，以期获得工艺对器件性能影响的物理机理，同时也为获得高性能氧化物薄膜晶体管提供理论支撑。