可用于柔性光电子器件的薄膜晶体管研究

发布时间：2017-04-03 15:05

  本文关键词：可用于柔性光电子器件的薄膜晶体管研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：大面积柔性化光电子领域的发展亟需要新型半导体材料,这类半导体材料需满足良好的机械柔性,并且电学性能要高于传统的非晶硅半导体。与传统的硅基半导体和其他的III-V族系列半导体相比,有机半导体材料有着非常良好的机械柔性,但电学性能和稳定性方面存在着较大问题。而金属氧化物半导体材料由于其高迁移率(μ,1 100 cm2V-1s-1)、高光学透过性、长时间的电学稳定性、以及良好的机械弯折特性,因此在薄膜晶体管(Thin film transistor,TFT)的应用上有着明显的优势。但截止到目前,金属氧化物薄膜的制备依然大量地依靠诸如溅射、等离子激光沉积、离子辅助沉积等方法。真空沉积的技术的成本高,制备面积型对较小,而且柔性化困难。为了克服这些弊端,本论文的主要工作在于提高有机TFT的载流子迁移率,然后重点开发新型的低温溶液方法来大规模制备高性能的金属氧化物薄膜,以及基于金属氧化物的TFTs。本文的工作主要包括以下四个部分:1、研究了有机TFT的源漏电极与有机半导体层的界面特性。通过采用空穴传输型有机材料,空穴注入型有机材料作为有机TFT的界面修饰层,通过优化界面修饰材料的厚度,研究了载流子注入和接触电阻以及器件电学性能的变化;同时,分析并研究了金属源漏电极沉积速率对有机TFT器件性能的影响。2、提出了具有协同效应的溶液法高性能金属氧化物TFTs。在协同效应系统里边,采用了双层金属氧化物有源层结构:氧化铟(In2O3)/氧化铟摰(IGO)。两种金属氧化物均采用低温溶液“燃烧”法。在250°C下获得的具有协同效应双有源层TFTs的迁移率达到了2.6 cm2/Vs,5倍于单层IGO TFTs的迁移率(0.5 cm2/Vs),甚至非常接近单层In2O3 TFTs的迁移率(3.2 cm2/Vs)。相对于迁移率来讲同样重要的TFT参数,阈值电压和开关电流比也得到了大幅提升。双有源层TFTs的阈值电压接近0 V,同时开关电流比更是高达108,相比于单层In2O3 TFTs的开关电流比(104)高了4个数量级。通过多种表征手段,包括原子力显微镜、X射线衍射、X射线能谱、以及透射电子电镜,研究了协同效应双有源层的微结构。研究结果显示了In2O3的多晶特性,以及IGO的非晶形貌。3、提出了金属氧化物聚合物杂化体系非晶态的半导体层,并首次采用聚合物掺杂的氧化铟薄膜获得了超柔性化的非晶金属氧化物TFT。这部分工作,采用少量聚乙烯基苯酚(PVP)在In2O3薄膜中掺杂,首次提出了基于溶液法的金属氧化物/聚合物复合体系的超柔性TFT器件。在系统优化调整In2O3与PVP的比例,可以有效的抑制In2O3薄膜的结晶,控制In2O3薄膜的载流子浓度的情况下,保持了载流子在此杂化体系薄膜中的传输。最终,采用AryLite塑料作为衬底,优化下In2O3:5%PVP的柔性TFT器件的迁移率在弯折前可以达到11 cm2V-1s-1。更为重要的是,在10毫米半径的反复机械弯折100次后,柔性TFT器件仍然保持着90%以上的电学性能。本该工作打开了设计低温下非晶金属氧化的新路径,为下一代高性能柔性微纳米电子器件奠定了坚实的进程并创造了更大的可能性。4、提出了喷涂燃烧合成法(SCS)制备高性能金属氧化物薄膜。在该部分工作中,采用SCS方法,实现了在低温下利用溶液法制备多种高质量的金属氧化物薄膜,包括金属氧化物In2O3、氧化物铟锌(IZO)、氧化物铟镓锌(IGZO)。其次,采用SCS方法,薄膜的沉积过程可以在连续的一步过程中完成,和常规的溶液法相比,缩短了过程时间10倍。更为重要的是,采用SCS获得的IGZO TFT在全球范围内首次获得了薄膜致密化、纳米孔洞特性、载流子迁移率、陷阱密度、器件的偏压稳定性以及薄膜的传输特性等性能参数与真空磁控溅射方法获得的器件参数特性几乎相同。
【关键词】：薄膜晶体管 金属氧化物 有机半导体 柔性光电子器件 低温燃烧法 氧化物铟镓锌
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN321.5
【目录】：

• 摘要5-7
• abstract7-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 研究背景12
• 1.2 薄膜晶体管的简介12-15
• 1.3 金属氧化物及有机半导体的发展及现状15-18
• 1.3.1 金属氧化物及有机半导体的发展历程15-18
• 1.3.2 金属氧化物的应用现状18
• 1.4 前沿分析和存在的问题18-19
• 1.5 本论文的主要研究内容和章节安排19-22
• 第二章 载流子传输机理及溶液法金属氧化物薄膜的研究22-34
• 2.1 载流子在金属氧化物中的传输机理概述22-23
• 2.2 非晶金属氧化物半导体23-25
• 2.2.1 载流子迁移率与晶态关系23-24
• 2.2.2 能带和态密度24-25
• 2.3 溶液金属氧化物薄膜的研究25-33
• 2.3.1 溶胶凝胶法26-30
• 2.3.1.1 高温溶胶凝胶金属氧化物薄膜27-28
• 2.3.1.2 低温溶胶凝胶金属氧化物薄膜28-30
• 2.3.2 化学浴沉积及低温碱性氧化锌30-31
• 2.3.3 喷涂热分解合成金属氧化物31
• 2.3.4 低温“燃烧”法31-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第三章 基于界面修饰层的机薄膜晶体管的研究34-45
• 3.1 有机薄膜晶体管的制备34-35
• 3.2 OTFT器件性能研究与分析35-44
• 3.2.1. 空穴传输界面修饰层35-38
• 3.2.2. 空穴注入界面修饰层38-41
• 3.2.3 金属源漏电极沉积速率对OTFT界面特性的影响41-44
• 3.3 本章小结44-45
• 第四章 基于协同效应的高性能金属氧化物薄膜晶体管45-58
• 4.1 协同效应金属氧化物薄膜及其晶体管的制备46
• 4.2 协同效应金属氧化物薄膜的结构研究46-51
• 4.2.1 薄膜形貌的研究46-48
• 4.2.2 薄膜电子结构的研究48-50
• 4.2.3 薄膜微纳米结构的研究50-51
• 4.3 协同效应金属氧化物薄膜的TFT电学特性51-56
• 4.4 本章小结56-58
• 第五章 基于非晶态金属氧化物聚合物杂化体系的全透明超柔性薄膜晶体管58-88
• 5.1 金属氧化物聚合物杂化体系的设计及器件制备59-61
• 5.1.1 金属氧化物聚合物杂化体系的设计59-60
• 5.1.2 金属氧化物聚合物杂化体系的器件制备60-61
• 5.2 金属氧化物聚合物杂化体系薄膜特性研究61-74
• 5.2.1 金属氧化物聚合物杂化体系薄膜的光学特性及形貌特性61-64
• 5.2.2 金属氧化物聚合物杂化体系薄膜的结晶特性研究64-68
• 5.2.3 金属氧化物聚合物杂化体系薄膜的电子结构研究68-74
• 5.3 金属氧化物聚合物杂化体系的TFT研究74-86
• 5.3.1 金属氧化物聚合物杂化体系薄膜的刚性TFT器件74-80
• 5.3.2 柔性全透明TFT器件的研究80-86
• 5.4 本章小结86-88
• 第六章 金属氧化物雾化燃烧合成法的研究88-126
• 6.1 雾化燃烧金属氧化物的制备89-91
• 6.1.1 金属氧化物雾化燃烧前驱体89
• 6.1.2 雾化燃烧金属氧化物薄膜及器件制备89-91
• 6.2 雾化燃烧金属氧化物薄膜特性研究91-100
• 6.2.1 雾化燃烧金属氧化物薄膜的电子结构研究91-95
• 6.2.2 雾化燃烧金属氧化物薄膜的形貌研究95-100
• 6.3 雾化燃烧金属氧化物薄膜的器件性能研究100-106
• 6.4 单层IGZO薄膜特性研究106-124
• 6.4.1 IGZO（1:0.11:0.29）薄膜电学特性106-110
• 6.4.2 IGZO（1:1:1）薄膜电学特性110-113
• 6.4.3 IGZO薄膜电子结构研究113-116
• 6.4.4 IGZO薄膜正电子湮灭模型116-119
• 6.4.5 IGZO薄膜DOS模型119-124
• 6.5 本章小节124-126
• 第七章 全文总结126-133
• 7.1 本论文的主要工作126-128
• 7.2 本论文的主要创新点128-133
• 致谢133-135
• 参考文献135-153
• 攻博期间取得的研究成果153-157

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 李青会,干福熹;可用于光存储的氧化物、次氧化物薄膜材料的研究及发展[J];光学技术;2002年01期

2 李光;郑艳彬;王文龙;姜志刚;;非晶铟镓锌氧化物薄膜的制备及其在薄膜晶体管中的应用[J];硅酸盐通报;2012年01期

3 吕惠宾,杨国桢,陈凡,赵彤,周岳亮,陈正豪;激光分子束外延氧化物薄膜机理研究[J];中国科学(A辑);2000年10期

4 邱柳卿;;美国专利文摘[J];真空电子技术;1990年01期

5 黄宁康;双离子束技术沉积锆氧化物薄膜及其背散射分析[J];原子能科学技术;1995年01期

6 孙建平,惠春,徐爱兰,刘宏伟;紫外光照下金属氧化物薄膜气敏特性研究进展[J];电子元件与材料;2005年07期

7 安继芸;;掺杂氧化物源向硅中的高浓度砷扩散[J];半导体情报;1973年10期

8 申功烈;过渡金属氧化物薄膜的离子敏变色效应[J];传感技术学报;1995年03期

9 戴国瑞,管玉国,焦伯恒,南金,许秀来,韩征,朱勇;多层氧化物薄膜气体敏感特性的研究[J];云南大学学报(自然科学版);1997年02期

10 邵景珍;董伟伟;陶汝华;邓赞红;方晓东;;柔性透明导电氧化物薄膜的制备及其应用[J];液晶与显示;2009年05期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 吴良专;余愿;只金芳;;柔性过渡金属氧化物薄膜的化学镀[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第37分会：能源纳米科学与技术[C];2014年

2 刘卫国;张伟;周顺;高爱华;;复合氧化物薄膜的金属有机物化学相沉积技术[A];TFC'07全国薄膜技术学术研讨会论文摘要集[C];2007年

3 黄宁康;汪德志;杨斌;雷家荣;;纳米锆氧化物薄膜的制备[A];纳米材料和技术应用进展——全国第二届纳米材料和技术应用会议论文集（下卷）[C];2001年

4 杨国桢;吕惠宾;周岳亮;陈正豪;崔大复;李林;;激光分子束外延制备氧化物薄膜研究[A];第三届全国光学前沿问题讨论会论文摘要集[C];1997年

5 张宏斌;祝要民;裴世轻;李董轩;赵胜利;;锡基氧化物薄膜的制备及结构表征[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集（4）[C];2007年

6 潘梦霄;曹兴忠;孙建忠;王宝义;马创新;周春兰;魏龙;李养贤;;钒的氧化物薄膜微观结构的研究[A];第四届全国磁性薄膜与纳米磁学会议论文集[C];2004年

7 刘俊明;;复杂多元氧化物薄膜材料的脉冲激光沉积[A];中国真空学会第六届全国会员代表大会暨学术会议论文摘要集[C];2004年

8 赵昆;黄延红;封家峰;吕惠宾;;钙钛矿氧化物薄膜的超快光电响应[A];2005年中国固体科学与新材料学术研讨会专辑[C];2005年

9 张群;;新型氧化物薄膜晶体管的研究进展[A];TFC’09全国薄膜技术学术研讨会论文摘要集[C];2009年

10 朱超;;几种激光沉积金属氧化物薄膜的抗近红外性能的比较[A];2008全国功能材料科技与产业高层论坛论文集[C];2008年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 浦海峰;新型氧化物薄膜晶体管材料及工艺研究[D];复旦大学;2014年

2 于欣格;可用于柔性光电子器件的薄膜晶体管研究[D];电子科技大学;2015年

3 张国勇;强关联氧化物薄膜光（热）感生热电势效应及探测器应用[D];中国科学技术大学;2006年

4 彭蔚蔚;几种功能氧化物薄膜结构的同步辐射红外与太赫兹光谱研究[D];武汉理工大学;2012年

5 谭娜;Er/Yb共掺氧化物薄膜的光致荧光特性、结构特征及相关优化理论分析[D];大连理工大学;2006年

6 熊飞;钙钛矿型氧化物薄膜的激光感生热电电压效应及光探测器应用[D];昆明理工大学;2008年

7 王晓祺;基于氧化物薄膜的光电器件及电阻转变行为研究[D];上海大学;2012年

8 唐金龙;ABO_3型氧化物薄膜表面结构与界面应力效应的第一原理研究[D];电子科技大学;2008年

9 杜娟;P型透明导电氧化物薄膜的研究[D];浙江大学;2006年

10 宋成;钴掺杂稀磁氧化物的局域结构与磁学性能[D];清华大学;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 童杨;非晶铟锡锌氧化物薄膜的制备及特性研究[D];山东大学;2015年

2 叶正平;镍铝复合氧化物薄膜的制备及其电吸附性能研究[D];北京化工大学;2012年

3 霍丽娟;直流反应磁控溅射法制备p型透明导电锡锑氧化物薄膜[D];浙江大学;2006年

4 冀晓静;钛硅复合氧化物光催化剂的制备及光催化性能研究[D];中国石油大学;2008年

5 王莹莹;低电位下钛表面阳极氧化物薄膜的制备及其结构研究[D];华南理工大学;2011年

6 田媛媛;层状化合物及其复合金属氧化物薄膜的制备与性能研究[D];北京化工大学;2007年

7 赵静;铜及其氧化物薄膜的磁控溅射法制备及对AP的催化性能研究[D];南京理工大学;2012年

8 郭存亚;铜氧化物薄膜制备与性能研究[D];哈尔滨工业大学;2014年

9 李媛;直流磁控溅射法制备Sn-Sb系透明导电氧化物薄膜[D];浙江大学;2008年

10 梁柱;氧化物异质外延过程中应变研究[D];电子科技大学;2006年

  本文关键词：可用于柔性光电子器件的薄膜晶体管研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：284506