异质结构氧化物薄膜的构筑及其在薄膜晶体管中的应用

Metal-oxide thin film transistor (TFT) has been one of key technologies of development of active matrix organic light emitting diodes (AM-OLEDs) because of its advantages, such as high mobility, low temperature process, high transmittance. According to the problem that illumination negative bias stability of TFT is improved at the expense of mobility, we propose a new strategy of replacing single oxide film with heterostructure oxide film to improve the mobility and stability of TFT. ZnSnO/SiZnSnO, ZnSnO/HfZnSnO and ZnSnO/InGaZnO heterostructure film are prepared by co-sputtering. The effects of oxygen vacancy on the electronic structure of ZnSnO, SiZnSnO and HfZnSnO are studied using first-principles method. The stability and mobility of the heterostructure oxide TFTs will be improved by reducing trap states, and inserting the positive charge barrier into active material. The mechanism of the bias-illumination stability is studied by theoretical model. Fabrication of heterostructure oxide TFTs with high mobility and stability will be a new bright spot for the development of AM-OLEDs.

氧化物TFT因具有高迁移率、低温制程、透过率高等优点，成为推动AM-OLED发展的关键性技术之一。针对当前氧化物薄膜晶体管提升光照负偏压稳定性是以牺牲其迁移率为代价这个难题，本研究创新地采用异质结构的有源层薄膜取代单一的有源层薄膜，实现提升氧化物TFT的稳定性和迁移率。采用共溅射的方法制备ZnSnO/SiZnSnO、ZnSnO/HfZnSnO、ZnSnO/InGaZnO异质结构薄膜。利用第一性原理计算它们在氧空位情况下的电子结构，为提升氧化物薄膜晶体管的稳定性提供理论指导。构建异质结构氧化物TFT，拟通过减小缺陷态、插入空穴阻挡层等方法来提升器件的光照负偏压稳定性。并结合理论模型来计算氧化物TFT的缺陷态，探究TFT不稳定性的机理。制备迁移率高稳定性好的异质结构氧化物TFT，它将会是氧化物TFT研究的一个新亮点，对推动AM-OLED的发展具有深远的理论和实际意义。

高迁移率和高稳定性的氧化物TFT是氧化物TFT产业化应用的必经之路，有望取代传统的硅基TFT成为下一代AMOLED显示的主流技术。本项目设计与制备出绿色环保的HfZnSnO、SiZnSnO等有源层，构筑ZnSnO/HfZnSnO、ZnSnO/SiZnSnO等异质结构氧化物TFT，探索异质结构TFT的界面调控，稳定性提升及迁移率提升等相关科学问题，取得一些创新性成果：.1、采用共溅射方法构筑新型的HfZnSnO、SiZnSnO等绿色环保非晶无铟氧化物薄膜，发现了Hf、Si等能有效地抑制薄膜的氧空位。.2、实现了溶液法制备高性能的BaZnSnO-TFT、LaZnSnO-TFT制备，其TFT的迁移率大于4 cm2/Vs，为低成本的氧化物TFT制备提供技术路线。.3、提出了阴离子N掺杂提升ZnSnO-TFT的光照负偏压稳定性，阈值电压漂移量减小53%，为氧化物TFT的稳定性提升提供了新思路。.4、构筑了ZnSnO/HfZnSnO、ZnSnO/SiZnSnO和InSnO/HfInZnO异质结构氧化物TFT，有效地解决氧化物TFT的迁移率和稳定性难以同时提升的技术难题。.5、采用温度场效应方法建立了缺陷态度密度（DOS）与稳定性之间的关联，实现了氧化物掺杂-DOS-稳定性的可控性制备。