金属氧化物薄膜晶体管稳定性机理的研究

Metal-oxide (MO, such as ZnO, IGZO, etc.) thin-film transistor is considered to be one of the most suitable devices to drive organic light-emitting diodes (OLEDs) and high resolution liquid crystal displays (LCDs), and has attracted much attention of the scientists and industrial circles because of its advantages of high mobility, good uniformity, transparent to visible light, low processing temperature, low cost, etc. To date, the main problem of the MO-TFTs is the electrical and optical instability which is the largest obstacle to the industrial applications. In order to solve this problem, deep research on the MO materials, device structures, and the interface is required. This applying project is going to investigate the mechanisms of the stability of the MO-TFTs, focusing on the MO materials, such as composition, film structure, ion distribution, energy band structure, and the carrier transportation rule, establishing a scientific model by combining the research on the device structures and the interface physics, directing the design of the MO materials, developing high-stable MO materials, realizing the aim of solving the problem of the TFT instability, and obtaining high-stable AMOLED display.

基于金属氧化物（Metal-Oxide，简称MO，如ZnO、IGZO等）的薄膜晶体管（TFT）具有以其迁移率高、电学均匀性好、对可见光透明、制备温度低和成本低等优点被认为是适合驱动有机发光二极管（OLED）和高分辨率液晶显示（LCD）的理想有源器件，并成为当前学界和业界的研究热点。但是，目前MO-TFT仍然面临电学和光学性能不稳定的问题，限制了其产业化应用，需要从材料、器件结构及薄膜界面等方面进行深入的基础研究，才有可能从根本上解决这一瓶颈问题。为此，该申请项目拟研究MO-TFT稳定性的机理问题，重点研究MO材料的内部规律，包括其组分、薄膜结构、离子配位状态、能带结构和载流子输运规律等，并结合对器件结构和界面物理的研究建立科学的物理模型，深层次指导材料设计和器件制备，获得有自主知识产权的高稳定的MO材料体系，最终实现基本了解和解决MO-TFT稳定性问题的目标，并实现稳定的AMOLED样机。

基于金属氧化物（MO）的薄膜晶体管（TFT）因为具有迁移率高、电学均匀性好、对可见光透明、制备温度低和成本低等优点被认为是适合驱动有机发光二极管（OLED）和高分辨率液晶显示（LCD）的较理想有源器件。但是，MO-TFT仍然面临电学和光学性能不稳定的问题，需要从材料、器件结构及薄膜界面等方面进行深入的基础研究，才有可能从根本上解决这一瓶颈问题。.该资助项目首先从器件结构和界面物理上研究影响MO-TFT稳定性的因素，通过溶剂处理的方法以及表面自主装修饰的方法分析发现，MO-TFT的背沟道的水氧吸附-解吸附现象是其电学不稳定的一个重要原因。因此，减少MO-TFT背沟道的水氧吸附可以改善其稳定性。.其次，通过理论计算和分析发现，对ZnO用In掺杂（IZO）后，迁移率得到提升，但是电子载流子浓度也大幅增大，造成器件关态电流大、稳定性较差。进一步分析发现氧空位是IZO电子载流子浓度增大、TFT器件不稳定的一个重要原因。在此基础上，我们提出了用Ta对IZO掺杂的方法来抑制氧空位、改善稳定性，因为Ta具有比In和Zn更强的金属-氧结合能，同时Ta掺杂能够展宽带隙，有利于降低光敏感性。实验表明，使用Ta掺杂的IZO作为TFT 器件的半导体层后，器件的电学稳定性得到明显提升：正向、负向的阈值电压的漂移（ΔVth）均小于0.2V/小时。此外，TFT器件的光稳定性也得到了明显地提高，在波长大于400nm的光照下转移特性曲线基本不会变化。.最后，我们研究MO-TFT阵列与OLED集成器件结构，成功实现了基于MO-TFT的AMOLED显示样机。.该资助项目执行过程中改善了MO-TFT的电学、光学稳定性，这对于基于MO-TFT的AMOLED显示的最终产业化具有重要意义。