Advanced Electronic Materials:透明柔性显示器的希望—极低温制备高性能透明柔性薄膜晶体管和电容器

近年来,显示器不断更新迭代,人们越来越关注舒适的视觉享受以及酷炫的视觉体验。显示器逐渐向高清化,大屏化以及高速响应方向发展。而且外观设计引领潮流,透明柔性成为未来显示器的主打招牌。其不变的本质就是显示器的关键核心驱动——薄膜晶体管和电容器。高迁移率的薄膜晶体管可以提高像素响应速度,实现更快的刷新率。但是,传统的非晶硅薄膜晶体管迁移率低,光敏性较强,稳定性差。而低温多晶硅薄膜晶体管虽然具有较高的迁移率和较好的稳定性,但其器件的均匀性较差,难以做到大尺寸,而且制备工艺复杂、成本高,以至于其在显示领域的应用受到一定的限制。为了解决其中存在的问题,以铟镓锌氧为代表的透明氧化物半导体材料受到了广泛的关注。在底栅型金属氧化物薄膜晶体管中,源极和漏极与半导体层的接触区域在半导体层的上表面,而导电沟道在半导体层下表面。薄膜晶体管工作时,由于金属氧化物半导体材料的载流子浓度高,将造成处于半导体层上表面的背沟道区域提前开启,导致晶体管具有很小的开关比。因此,氧化物晶体管都需要高温退火使其表现出优异的性能,这不利于在未来柔性显示器中的应用。另外,传统的金属-绝缘体-金属结构的电容器,其电极材料多采用硅而绝缘体为二氧化硅,器件性能上漏电流大,电容密度小,损耗大,稳定性差。无论是传统的硅基晶体管还是电容器,都导致驱动电路部分整体开口率很低,从而增加能耗。选择宽禁带材料作为硅的替代品,无疑是时代发展的必须选择。(图1为液晶显示器的像素驱动电路)

武汉大学刘昌教授和吴昊副教授研究团队设计了一种极低温氧化锌薄膜晶体管,用以未来透明柔性显示器件的应用。在低于100 oC下,运用原子层沉积法在柔性衬底上连续沉积氧化铝和氧化锌作为栅绝缘层和沟道层。原子层沉积法极低温制备氧化锌薄膜具有较低的氧空位浓度,不仅可以使薄膜晶体管在不退火的情况下具有107的开关比,而且偏压稳定性也得到大大的提高。此外,由于生长条件得到最优化,绝缘层和沟道层之间具有明晰而平整的界面,使该薄膜晶体管的迁移率高达37.1 cm2V-1s-1。氧化锌薄膜在如此低温下仍然保持多晶特性,也是晶体管高迁移率的关键。并且,还研究了氧化锌晶界态密度对晶体管稳定性的影响,证明了相对较高的沉积温度使多晶氧化锌具有更低的晶界态密度,从而提高了偏压稳定性。本次工作的工艺温度适用于所有柔性衬底,为以后透明柔性显示器的发展具有重要意义。(图2为薄膜晶体管结构及器件性能)

除此之外,刘昌教授和吴昊副教授课题组还设计了一种全透明的柔性电容器。掺铝的氧化锌和银纳米线的复合材料作为电极,使得方块电阻达到10Ω/cm2以下,极大的降低了电容器的损耗,提高了其使用寿命。柔性测试显示该电容器可以在极苛刻的弯曲半径(7 mm)下连续弯曲1000次而电学性能维持不变。同时,在可见光区域,光学平均透过率超过百分之七十。(图3位薄膜电容器结构及器件性能)

由上述透明柔性薄膜晶体管和透明柔性存储电容器构成的透明柔性驱动电路,为下一步制备透明柔性显示器打下了坚实的基础。相关论文在线发表在Advanced Electronic Materials (DOI: 10.1002/aelm.201800583 and DOI: 10.1002/aelm.201800195)上。

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