本文關鍵詞：可用于柔性光電子器件的薄膜晶體管研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：大面積柔性化光電子領域的發(fā)展亟需要新型半導體材料,這類半導體材料需滿足良好的機械柔性,并且電學性能要高于傳統(tǒng)的非晶硅半導體。與傳統(tǒng)的硅基半導體和其他的III-V族系列半導體相比,有機半導體材料有著非常良好的機械柔性,但電學性能和穩(wěn)定性方面存在著較大問題。而金屬氧化物半導體材料由于其高遷移率(μ,1 100 cm2V-1s-1)、高光學透過性、長時間的電學穩(wěn)定性、以及良好的機械彎折特性,因此在薄膜晶體管(Thin film transistor,TFT)的應用上有著明顯的優(yōu)勢。但截止到目前,金屬氧化物薄膜的制備依然大量地依靠諸如濺射、等離子激光沉積、離子輔助沉積等方法。真空沉積的技術的成本高,制備面積型對較小,而且柔性化困難。為了克服這些弊端,本論文的主要工作在于提高有機TFT的載流子遷移率,然后重點開發(fā)新型的低溫溶液方法來大規(guī)模制備高性能的金屬氧化物薄膜,以及基于金屬氧化物的TFTs。本文的工作主要包括以下四個部分:1、研究了有機TFT的源漏電極與有機半導體層的界面特性。通過采用空穴傳輸型有機材料,空穴注入型有機材料作為有機TFT的界面修飾層,通過優(yōu)化界面修飾材料的厚度,研究了載流子注入和接觸電阻以及器件電學性能的變化;同時,分析并研究了金屬源漏電極沉積速率對有機TFT器件性能的影響。2、提出了具有協(xié)同效應的溶液法高性能金屬氧化物TFTs。在協(xié)同效應系統(tǒng)里邊,采用了雙層金屬氧化物有源層結(jié)構:氧化銦(In2O3)/氧化銦摰(IGO)。兩種金屬氧化物均采用低溫溶液“燃燒”法。在250°C下獲得的具有協(xié)同效應雙有源層TFTs的遷移率達到了2.6 cm2/Vs,5倍于單層IGO TFTs的遷移率(0.5 cm2/Vs),甚至非常接近單層In2O3 TFTs的遷移率(3.2 cm2/Vs)。相對于遷移率來講同樣重要的TFT參數(shù),閾值電壓和開關電流比也得到了大幅提升。雙有源層TFTs的閾值電壓接近0 V,同時開關電流比更是高達108,相比于單層In2O3 TFTs的開關電流比(104)高了4個數(shù)量級。通過多種表征手段,包括原子力顯微鏡、X射線衍射、X射線能譜、以及透射電子電鏡,研究了協(xié)同效應雙有源層的微結(jié)構。研究結(jié)果顯示了In2O3的多晶特性,以及IGO的非晶形貌。3、提出了金屬氧化物聚合物雜化體系非晶態(tài)的半導體層,并首次采用聚合物摻雜的氧化銦薄膜獲得了超柔性化的非晶金屬氧化物TFT。這部分工作,采用少量聚乙烯基苯酚(PVP)在In2O3薄膜中摻雜,首次提出了基于溶液法的金屬氧化物/聚合物復合體系的超柔性TFT器件。在系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整In2O3與PVP的比例,可以有效的抑制In2O3薄膜的結(jié)晶,控制In2O3薄膜的載流子濃度的情況下,保持了載流子在此雜化體系薄膜中的傳輸。最終,采用AryLite塑料作為襯底,優(yōu)化下In2O3:5%PVP的柔性TFT器件的遷移率在彎折前可以達到11 cm2V-1s-1。更為重要的是,在10毫米半徑的反復機械彎折100次后,柔性TFT器件仍然保持著90%以上的電學性能。本該工作打開了設計低溫下非晶金屬氧化的新路徑,為下一代高性能柔性微納米電子器件奠定了堅實的進程并創(chuàng)造了更大的可能性。4、提出了噴涂燃燒合成法(SCS)制備高性能金屬氧化物薄膜。在該部分工作中,采用SCS方法,實現(xiàn)了在低溫下利用溶液法制備多種高質(zhì)量的金屬氧化物薄膜,包括金屬氧化物In2O3、氧化物銦鋅(IZO)、氧化物銦鎵鋅(IGZO)。其次,采用SCS方法,薄膜的沉積過程可以在連續(xù)的一步過程中完成,和常規(guī)的溶液法相比,縮短了過程時間10倍。更為重要的是,采用SCS獲得的IGZO TFT在全球范圍內(nèi)首次獲得了薄膜致密化、納米孔洞特性、載流子遷移率、陷阱密度、器件的偏壓穩(wěn)定性以及薄膜的傳輸特性等性能參數(shù)與真空磁控濺射方法獲得的器件參數(shù)特性幾乎相同。
【關鍵詞】：薄膜晶體管 金屬氧化物 有機半導體 柔性光電子器件 低溫燃燒法 氧化物銦鎵鋅
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN321.5
【目錄】：

• 摘要5-7
• abstract7-12
• 第一章 緒論12-22
• 1.1 研究背景12
• 1.2 薄膜晶體管的簡介12-15
• 1.3 金屬氧化物及有機半導體的發(fā)展及現(xiàn)狀15-18
• 1.3.1 金屬氧化物及有機半導體的發(fā)展歷程15-18
• 1.3.2 金屬氧化物的應用現(xiàn)狀18
• 1.4 前沿分析和存在的問題18-19
• 1.5 本論文的主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排19-22
• 第二章 載流子傳輸機理及溶液法金屬氧化物薄膜的研究22-34
• 2.1 載流子在金屬氧化物中的傳輸機理概述22-23
• 2.2 非晶金屬氧化物半導體23-25
• 2.2.1 載流子遷移率與晶態(tài)關系23-24
• 2.2.2 能帶和態(tài)密度24-25
• 2.3 溶液金屬氧化物薄膜的研究25-33
• 2.3.1 溶膠凝膠法26-30
• 2.3.1.1 高溫溶膠凝膠金屬氧化物薄膜27-28
• 2.3.1.2 低溫溶膠凝膠金屬氧化物薄膜28-30
• 2.3.2 化學浴沉積及低溫堿性氧化鋅30-31
• 2.3.3 噴涂熱分解合成金屬氧化物31
• 2.3.4 低溫“燃燒”法31-33
• 2.4 本章小結(jié)33-34
• 第三章 基于界面修飾層的機薄膜晶體管的研究34-45
• 3.1 有機薄膜晶體管的制備34-35
• 3.2 OTFT器件性能研究與分析35-44
• 3.2.1. 空穴傳輸界面修飾層35-38
• 3.2.2. 空穴注入界面修飾層38-41
• 3.2.3 金屬源漏電極沉積速率對OTFT界面特性的影響41-44
• 3.3 本章小結(jié)44-45
• 第四章 基于協(xié)同效應的高性能金屬氧化物薄膜晶體管45-58
• 4.1 協(xié)同效應金屬氧化物薄膜及其晶體管的制備46
• 4.2 協(xié)同效應金屬氧化物薄膜的結(jié)構研究46-51
• 4.2.1 薄膜形貌的研究46-48
• 4.2.2 薄膜電子結(jié)構的研究48-50
• 4.2.3 薄膜微納米結(jié)構的研究50-51
• 4.3 協(xié)同效應金屬氧化物薄膜的TFT電學特性51-56
• 4.4 本章小結(jié)56-58
• 第五章 基于非晶態(tài)金屬氧化物聚合物雜化體系的全透明超柔性薄膜晶體管58-88
• 5.1 金屬氧化物聚合物雜化體系的設計及器件制備59-61
• 5.1.1 金屬氧化物聚合物雜化體系的設計59-60
• 5.1.2 金屬氧化物聚合物雜化體系的器件制備60-61
• 5.2 金屬氧化物聚合物雜化體系薄膜特性研究61-74
• 5.2.1 金屬氧化物聚合物雜化體系薄膜的光學特性及形貌特性61-64
• 5.2.2 金屬氧化物聚合物雜化體系薄膜的結(jié)晶特性研究64-68
• 5.2.3 金屬氧化物聚合物雜化體系薄膜的電子結(jié)構研究68-74
• 5.3 金屬氧化物聚合物雜化體系的TFT研究74-86
• 5.3.1 金屬氧化物聚合物雜化體系薄膜的剛性TFT器件74-80
• 5.3.2 柔性全透明TFT器件的研究80-86
• 5.4 本章小結(jié)86-88
• 第六章 金屬氧化物霧化燃燒合成法的研究88-126
• 6.1 霧化燃燒金屬氧化物的制備89-91
• 6.1.1 金屬氧化物霧化燃燒前驅(qū)體89
• 6.1.2 霧化燃燒金屬氧化物薄膜及器件制備89-91
• 6.2 霧化燃燒金屬氧化物薄膜特性研究91-100
• 6.2.1 霧化燃燒金屬氧化物薄膜的電子結(jié)構研究91-95
• 6.2.2 霧化燃燒金屬氧化物薄膜的形貌研究95-100
• 6.3 霧化燃燒金屬氧化物薄膜的器件性能研究100-106
• 6.4 單層IGZO薄膜特性研究106-124
• 6.4.1 IGZO（1:0.11:0.29）薄膜電學特性106-110
• 6.4.2 IGZO（1:1:1）薄膜電學特性110-113
• 6.4.3 IGZO薄膜電子結(jié)構研究113-116
• 6.4.4 IGZO薄膜正電子湮滅模型116-119
• 6.4.5 IGZO薄膜DOS模型119-124
• 6.5 本章小節(jié)124-126
• 第七章 全文總結(jié)126-133
• 7.1 本論文的主要工作126-128
• 7.2 本論文的主要創(chuàng)新點128-133
• 致謝133-135
• 參考文獻135-153
• 攻博期間取得的研究成果153-157

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