InGaZnO/有机半导体复合沟道双极性TFT中的界面行为与CMOS集成器件研究

本项目旨在利用n型InGaZnO与p型有机半导体复合形成的异质结作为场效应沟道，开发有机/无机复合双极性TFT器件，通过深入研究器件中异质界面行为及其调控，提高TFT器件的性能，进一步开发新型有机/无机复合CMOS集成器件。采用自行设计的多功能真空镀膜装置，在同一真空环境下实现氧化物、有机与金属薄膜的多层沉积，由此制备出具有洁净界面的有机/无机复合TFT器件。在此基础上深入研究有机/无机界面、界面修饰层、界面载流子阻挡层、有机/金属界面、有机半导体表面处理等界面行为对于TFT器件性能的影响机制，以改善复合沟道中的电荷传输平衡，提高器件工作性能。通过多个双极性TFT器件互连开发出新型有机/无机复合CMOS反相器、环形振荡器等集成电子器件，包括基于柔性衬底的CMOS器件。有机/无机复合CMOS器件具有结构简单、易于集成、室温制备等优势，可以用于制作低功耗平板显示与未来柔性显示用驱动电路。

本项目采用低成本溶胶-凝胶与喷墨打印技术，制备出高质量InGaZnO薄膜，薄膜表面均匀平整，具备高透光率与载流子迁移率，并且可通过调控薄膜工艺实现电学性能的可控性。以IGZO为沟道层，ITO透明导电薄膜为电极制备出TFT器件，器件呈现出典型的增强型场效应特性，优化条件下场效应迁移率为1.30 cm2/V s，开启电压为10 V，电流开关比达2.5 × 104。通过喷墨打印技术制备了聚3-己基噻吩基TFT，器件呈现典型的p沟道场效应传输行为。进一步通过n沟道InGaZnO基TFT与p沟道有机TFT的单片集成，研制出有机/无机复合CMOS反相器。反相器输入输出特性具有明显的反相开关效应，在VDD =30 V的情况下增益(-ΔVout/ΔVin) 达14。研究结果表明，充分利用n型氧化物半导体与p型有机半导体的相互集成，通过低成本喷墨打印技术，可构筑高性能CMOS集成器件，包括环形振荡器与移位寄存器等，在下一代OLED大面积平板显示的驱动电路中具有非常关键的潜在应用价值。.同时，本项目深入分析了IGZO/电极接触界面、IGZO/有机异质结的界面微结构、界面能带结构与界面俘获缺陷态及其对异质结载流子传输的影响，通过IGZO表面处理、添加过渡层等技术改善界面匹配，改善了有机薄膜的晶体结构与电学性能，通过在界面引入载流子阻挡层而降低IGZO电子对有机薄膜空穴传输的影响，提高了有机薄膜的空穴迁移率。.另一方面，通过在IGZO基TFT的SiO2绝缘栅中嵌入Si纳米晶，开发出新型非易失存储器件，通过控制栅极电压可以在高电流态与低电流态之间可逆转变。以Ga2O3为沟道层，开发出硅集成宽禁带氧化物TFT器件， TFT沟道层对于280nm的深紫外光具有高达70%以上的透光率，对于紫外光电子应用具有重要意义。通过紫外/臭氧处理成功实现了对石墨烯FET沟道从n型到p型的调制。.此外，本项目将ZnO纳米结构应用于光催化裂解水，通过构筑新型ZnO/Ag/CdS 光阳极，成功实现了毫升量级产氢量的光解水效率，显著高于前期研究报道的纳米结构光解水性能，具有十分广阔的应用前景。.本项目执行期间发表学术论文30篇，其中SCI收录26篇，申请中国发明专利4项，培养博士研究生4名，硕士研究生4名。