基于高k材料的低压n型和p型薄膜晶体管研究获得新进展

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       显示技术是信息技术时代人们每日获取海量信息的必备技术之一。液晶显示(LCD)因具有轻便、环保和低耗等优点,已逐渐取代传统的CRT显示而被广泛应用,成为二十一世纪的主流显示模式。采用薄膜晶体管(Thin-Film Transistor, TFT)驱动的LCD仍将是主流显示技术且前景广阔。目前,TFT-LCD具有成本低、工作电压低、分辨率高、抗干扰性好等特点,并且已具备相当规模的产能基础。TFT作为LCD的核心组成器件,其选材和技术的进步必将推动整个液晶产业的蓬勃发展。

       目前,采用低成本的化学溶液法制备非晶金属氧化物TFT已成为该领域的主要研究热点。前期工作中,青岛大学物理学院Fukai Shan课题组采用“水性溶胶”技术制备TFT器件并获得理想的电学性能(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 17364;Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 2564;RSC Adv. 2015, 5, 86606)。“水性溶胶”技术克服了传统溶胶工艺对有机溶剂的依赖,仅利用水和金属硝酸盐即实现了高性能TFT器件,其制备过程更加廉价、低能耗、环保。其次,水溶胶中金属离子与水分子形成了独特的静电吸引力,相比于传统有机溶剂中共价键的形式,在低温下即可断裂,因此具有更低的分解温度(<250 oC),该技术对于柔性微电子器件的研发具有重要的意义。

        近日,该小组在该领域再次取得重要进展,首创地利用“水性溶胶”技术实现新型氧化钪(Sc2O3)高k介电材料及其在低压n型和p型TFTs上的应用。高k介电薄膜和p型半导体材料一直是微电子器件研究的亟待突破的重点领域,也是低功耗显示器、CMOS集成电路必不可少的组成部分。据悉,“水溶胶”Sc2O3高k介电薄膜的成功实施也是世界范围内首次利用廉价的溶胶技术制备该类介电材料。同时利用“水溶胶”技术和“水溶胶”诱导的“多元醇还原”技术分别制备n型InZnO和p型CuO半导体沟道层。测试结果表明Sc2O3高k介电材料的使用极大地缩小了TFT器件的操作电压(从40 V降低到1.5 V),仅利用一节干电池即可驱动,对低能耗电子器件的研发具有重要的意义。“水性溶胶”技术的成功实施将推动微电子产业走向更加绿色环保的道路。该成果将对平板显示领域、生物和光探测领域、以及CMOS集成电路的应用开发有重要影响。相关研究工作于近日在线发表于Advanced Functional Materials