基于低温溶液工艺的氧化物半导体器件及其应用的研究

摘要

现代显示技术对高性能薄膜晶体管（Thin film transistor,TFT）的需求促进了氧化物半导体（Oxide semiconductor）的快速发展。近年来，氧化物半导体对低成本工艺的追求使得新型溶液工艺备受关注，其具备工艺简单、化学成分易控制、与大面积打印技术兼容的优势。在溶液法制备Oxide TFT研究的初期，研究者多致力于高性能的半导体层的研发，用于制备半导体层的前驱体有金属盐类溶液和氧化物纳米颗粒的悬浮液体，通常需进行至少400℃的退火。然而为了在柔性衬底上实现TFT器件，器件的制备温度需控制在200℃以下。另一方面，绝缘层的物理、化学、电学性能对金属-绝缘层-半导体结构的晶体管至关重要。目前大部分溶液法Oxide TFT中，很少器件的半导体层和绝缘层均采用溶液工艺制备，而且关于低温溶液法制备的绝缘层也鲜有报道。本文工作将致力于低温溶液工艺制备的Oxide TFT的半导体层和绝缘层的研究，对所制备的器件进行简单的电路的设计与实现，并与氧化物的紫外光探测器相集成。
　　首先是对半导体层的研究，以非掺杂的氧化锌（Zinc oxide，ZnO）半导体为研究对象，探索了锌氨络合物前驱体溶液制备氧化物半导体层。从退火温度、退火环境、退火时间和旋涂工艺几个方面对ZnO半导体层进行优化，以改善ZnO TFT的器件性能。另外，还研究的了封装对ZnO TFT的影响，未封装的器件由于其半导体层背表面暴露于大气中，与环境中气体分子相互作用，ZnO TFT体现严重的回滞现象，且恒压偏置稳定性较差。采用低温（75℃）溶液法的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）薄膜对器件进行封装后，ZnO TFT的可靠性得到了明显的改善。在半导体层退火温度仅为200℃的条件下，所制备的ZnO TFT的迁移率为0.9cm2/V·s，开关电流比为107，亚阈值摆幅为0.6V/dec。
　　在绝缘层方面，分别尝试了低温溶液法的有机聚合物绝缘材料和无机金属氧化物。将溶液法制备的紫外光交联的聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，PVA），用作ZnO TFT的绝缘层，在合适的工作电压范围内，器件体现良好的晶体管性能，迁移率为0.4cm2/V·s，开关比接近104。并采用PVA绝缘层，在PEN衬底上实现了柔性的ZnO TFT，器件的各项参数与玻璃衬底上实现的器件基本相同，经过100次弯曲测试后，器件仍体现良好的晶体管性能。利用溶液法、紫外光退火工艺制备了5nm厚的高介电常数的（k）氧化锆（Zirconium dioxide，ZrO2）薄膜，其击穿强度高达18MV/cm。将该绝缘层用作溶液法的ZnO TFT的绝缘层时，器件的整个制备过程的退火温度可控制在150℃以下，且实现了低工作电压(3V) ZnO TFT，器件的迁移率为0.45cm2/V·s，开关电流比为105，阈值电压为0.1V，亚阈值摆幅为0.25 V/dec。
　　基于上述以ZrO2为绝缘层的低电压（<3V）ZnO TFT，进行简单电路的设计与实现。在驱动电路方面提出了一种有源矩阵有机发光二极管（Active Matrix Organic Light Emitting Diode，AMOLED）集成技术，将底发光的OLED面板与驱动电路背板分别制备在两个衬底上，通过面板与背板的集成形成顶发光效果的AMOLED。通过玻璃上制备的n型低电压ZnO TFT作为简化的驱动电路，来驱动底发光结构的蓝光OLED，验证了方案的可行性。这种n型TFT构成的像素电路与底发光结构OLED相集成的技术有效的提高了像素的开口率。在基本逻辑电路方面，基于低电压的ZnO TFT实现了n型单极性反相器，在供电电压仅为3V的工作条件下，反相器的增益达到-26。考虑到氧化物半导体难以实现p型器件，将n型ZnO TFT与同样低电压的p型有机薄膜晶体管相结合，在相同的衬底上利用两种TFT实现了溶液法、低电压、互补型反相器，反相器能展现理想的电压反转功能，增益为-15.7。
　　最后，利用ZnO半导体的紫外光敏感性，以低温溶液法的ZnO薄膜作为紫外光探测器的敏感材料，对比了欧姆接触和肖特基接触的紫外光探测器的区别，并探讨封装对不同接触器件的影响。结果表明银电极与ZnO形成了典型的肖特基接触，所制备的光探测器的响应速度取决于肖特基结附近的内建电场，封装过的器件的响应速度达到3s左右。并基于肖特基接触的紫外光探测器，提出一种在同一衬底上，利用相同的ZnO半导体层，将制备的ZnO TFT与紫外光探测器相集成的方案，在合适的电压信号控制下，TFT能有效的将紫外光探测器输出的电流信号转换成电压信号输出。