阴离子掺杂抑制溶液法氧化物的缺陷态及TFT稳定性提升研究

Solution-processed metal oxide TFTs are facing new opportunities for the development of new flat panel display with ultra-low cost due to its advantages of simple process, easy control of element composition, large area and low cost manufacturing. The stability has already been the key technical challenges in the Industrial application of solution-processed TFTs. The existing solution is to suppress oxygen vacancies by using cation doping. However, the improvement in stability is at the expense of mobility of oxide TFTs. The project proposes a novel method to suppress oxygen vacancies by replacing traditional cation with N, F anion. The trap states of TFT under light illumination, bias stress are constantly investigated by using conductance-frequency method. The correlation between density of states and stability is studied. UV treated modification layer, plasma treatment and passivation layer are explored to reduce the interface trap states. Breaking the key technical problem of mutual restricting in electrical performance and stability, the electrical performance and stability of oxide TFTs is simultaneously improved. It is much favorable for the future application in solution-process oxide TFTs.

溶液法氧化物TFT具有工艺简单，易于精确控制元素组分，可大面积低成本制造等优点，给超低成本新型平板显示技术的发展带来新的机遇。稳定性问题已经成为溶液法氧化物TFT应用的关键技术难题之一，现有的主要解决方案是基于阳离子掺杂抑制氧空位，提升器件稳定性，然而会导致TFT的迁移率衰退。本课题提出了一种新方案，采用阴离子N，F取代传统的阳离子掺杂氧化物半导体，有效地抑制氧空位，并同步提升迁移率。采用电导-频率新方法实时表征光照、偏压等作用下的半导体内缺陷态密度（DOS）的变化规律，建立阴离子掺杂-DOS-稳定性之间的关联。并采用UV处理纳米修饰层，Plasma处理及表面钝化等方法减小TFT界面态，突破TFT电学性能和稳定性相互制约的关键技术难题，最终实现高迁移率高稳定性的溶液法氧化物TFT。项目实施对于未来溶液法氧化物TFT的推广和应用具有重要的意义。

溶液法氧化物薄膜晶体管因具有高迁移率、低成本、可见光透明等优势，被认为是最适合驱动AMOLED的技术之一。针对氧化物TFT的提升迁移率和改善稳定性相矛盾的技术难题，本项目提出了阴离子N，F同步提升氧化物TFT的迁移率和稳定性的新思路，构筑了新型的基于N，F离子掺杂的氧化物TFT，厘清了阴离子提升氧化物TFT的内在物理机理，取了一系列原创性成果：1、创新地提出N、F离子抑制氧化物薄膜的氧空位，改善掺杂浓度和退火温度等参数优化薄膜的氧空位、透过率等特性，提升了氧化物TFT的电学性能和稳定性，建立N、F离子掺杂与溶液法氧化物TFT性能之间的内在关联，为低成本的氧化物TFT制备提供技术参考。2、提出了阴阳离子（Sr-N、Sr-F）共掺杂技术，同步提升SrInON和SrInOF氧化物TFT的迁移率和稳定性，设计阴阳离子的种类、掺杂浓度等抑制氧空位，改善界面态，提升溶液法氧化物TFT的偏压稳定性、光照负偏压稳定性以及温度稳定性，有效地解决氧化物TFT的稳定性和迁移率之间的矛盾。3、开发了基于溶液法的纤维状氧化物TFT和固态电解质栅氧化物TFT，并实现了其在传感、突触等电子器件的应用。相关成果在ACS appl. Mater. Interfaces、Journal of Materials Chemistry C、IEEE EDL等国际权威学术期刊上发表SCI论文30篇，会议论文2篇（项目第一标注论文30篇），邀请报告2次，申请国家发明专利8项，其中授权5项。培养研究生10名。本项目研究对于推动我国低成本制造的溶液法氧化物TFT发展具有重要的理论意义和实际价值。