柔性p型NiO薄膜晶体管的溶液法制备及电输运机理研究

The performance of p-type oxide thin-film transistors (TFTs) is far behind their n-type counterparts, which seriously hinders the development of complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuits using oxide semiconductors. Recently, solution-processed p-type NiO TFT has attracted increasing attention due to its good device performance and low manufacturing cost. However, the current research mainly focused on rigid substrates, flexible p-type NiO TFT remains unexplored. More importantly, the charge transport mechanism in p-type NiO thin film is still unclear, which inhibits the further development of p-type NiO TFT. In this project, we intend to carry out a systematic study on solution-processed p-type NiO TFT, elucidate the charge transport mechanism in p-type NiO thin film, and obtain the theoretical basis for improving the electrical performance of p-type NiO TFT. Through theoretical guidance and the development of low temperature solution process, flexible p-type NiO TFT could be realized. In addition, combined p-type NiO with our previous study on n-type oxide semiconductor, flexible CMOS devices based on all-solution-processed oxide semiconductors will be achieved. Our study is very important for understanding the charge transport in p-type NiO thin film and realizing flexible CMOS circuits based on oxide semiconductors.

p型氧化物薄膜晶体管的性能远落后于n型氧化物器件，这严重阻碍了基于氧化物半导体的CMOS电路的发展。近年来，基于溶液法工艺的p型NiO薄膜晶体管由于具有较佳的器件性能和低成本制备优势引起了越来越多的关注。然而，目前的研究主要集中在刚性衬底上，柔性p型NiO薄膜晶体管仍未见报道。更重要的是，p型NiO薄膜的电输运机制仍不清楚，这使得进一步提升其器件性能缺乏必要的理论指导。本项目提出对p型NiO薄膜晶体管的溶液法制备开展系统的研究，阐明p型NiO薄膜的电输运机理，获得提升p型NiO薄膜晶体管电学性能的理论依据；通过理论指导和对低温溶液法工艺的开发，实现柔性p型NiO薄膜晶体管的可控生长；结合前期在n型氧化物薄膜晶体管的积累，采用全溶液法工艺在柔性衬底上实现基于氧化物半导体的CMOS器件。本研究对揭示p型NiO薄膜的电输运机理和实现基于氧化物半导体的柔性CMOS电路具有十分重要的意义。

以IGZO为代表的透明非晶n型氧化物半导体由于具有高的迁移率（> 10 cm2V-1s-1），良好的透明度和出色的均匀性吸引了广泛关注。虽然基于n型氧化物半导体的薄膜晶体管已经能够胜任平板显示器件，但是更复杂的应用却需要基于n型及p型半导体的互补金属-氧化物-半导体（CMOS）构架。不幸的是，氧化物半导体由于其特殊的电子结构，导电类型大多为n型。缺少高性能的p型氧化物半导体是氧化物电子学最大的挑战之一。.本项目围绕p型氧化物半导体及相关器件展开工作，主要在以下几方面取得进展：（1）我们提出一种低温溶液方案制备高性能p型透明非晶态半导体氧化镍（NiO）薄膜。我们对退火温度，前驱体浓度，源/漏电极和电介质进行了系统并且深入的研究，以最大限度地提高p型NiO器件的性能。优化后的NiO 薄膜晶体管展现了出色的p沟道特性，包括高达6.0 cm2V-1s-1的空穴迁移率，高达10000000的开/关电流调制，以及0.13 V/decade的良好亚阈值摆幅。我们采用溶液工艺在低温下制备的透明非晶p型NiO薄膜晶体管已经可以接近传统n型器件水平。（2）我们研究In掺杂NiO薄膜的溶液法制备及电输运机制，发现通过简单的掺杂可以改变半导体的导电类型（p型NiO半导体通过In掺杂转变为n型氧化物半导体）。（3）我们研究了溶液法制备高K氧化物介电薄膜，实现了基于全溶液工艺的低电压驱动高性氧化物薄膜晶体管。另外，我们设计并采用溶液法制备了新型稀土掺杂氧化物薄膜晶体管，其性能接近真空方法制备的器件。 .总体来说，本项目为实现基于n型及p型氧化物半导体的低成本全透明CMOS电路奠定了坚实的基础，有助于提升我国在芯片以及新型显示领域的核心竞争力。