【摘 要】
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薄膜晶体管（TFT）作为有源驱动平板显示的核心器件,具有电信号处理、控制和传输等能力。基于氧化物半导体的TFT由于具有较高的载流子迁移率、出色的可见光透过性、极低的关态电流、以及良好的大面积均匀性等优点而受到广泛关注。但是,氧化物TFT在光照/热及栅偏压作用下（NBI/TS）的不稳定性和相对较高的制备成本严重阻碍了其进一步的商业化应用。稀土元素在很多领域有着广泛的应用,特别是具有丰富、独特光电特性
【基金项目】
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科技部973项目（2015CB655000）; 国家重点研发计划“战略性先进电子材料”专项（2016YFB0401105）; 国家自然科学基金（U1601651;51673068;61204087）
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薄膜晶体管（TFT）作为有源驱动平板显示的核心器件,具有电信号处理、控制和传输等能力。基于氧化物半导体的TFT由于具有较高的载流子迁移率、出色的可见光透过性、极低的关态电流、以及良好的大面积均匀性等优点而受到广泛关注。但是,氧化物TFT在光照/热及栅偏压作用下（NBI/TS）的不稳定性和相对较高的制备成本严重阻碍了其进一步的商业化应用。稀土元素在很多领域有着广泛的应用,特别是具有丰富、独特光电特性的镧系元素。本论文首先研究了不同稀土元素掺杂对氧化物TFT的光稳定性的改善作用,利用Pr4+和Tb4+的电荷转移效应,实现了对LED蓝光部分的吸收并转换成无辐射跃迁的形式,大幅提高了TFT NBIS的稳定性。接着研究了稀土掺杂氧化物半导体在发光场效应晶体管（LET）中的应用。利用稀土氧化物Sc2O3对水汽和可见光的不敏感性,将其掺入In2O3中形成Sc:In2O3半导体作为LET的电子传输层,有利于提高LET的发光效率、稳定性和寿命。本文系统地研究了溶液加工的不同镧系元素（放射性的Pm除外）掺杂氧化铟TFT（Ln:In2O3 TFT）的性能。除Ce元素,其余13种5 at%掺杂量的Ln:In2O3 TFT都表现出良好的TFT特性,器件的开启电压从纯In2O3 TFT的-13.8 V正漂至-1～1 V范围内,表明少量的Ln掺杂就能有效地抑制氧化物半导体内氧空位的产生。更有趣的是,由于Pr和Tb离子与配体离子间存在明显的电荷转移,相比其它镧系元素,Pr和Tb掺杂可以更好地改善氧化物TFT的NBIS稳定性。电荷转移可以有效地吸收LED白光的蓝光部分并通过无辐射跃迁的形式释放能量,避免了蓝光对氧空位电子的激发,从而大幅提升NBIS稳定性。因此,即使未做任何钝化处理,在250 Lux的LED白光和-20 V的栅偏压共同作用1小时,Pr:In2O3和Tb:In2O3 TFT的阈值电压都只漂了-3.0 V,而其它的Ln:In2O3 TFT则漂了-7.9至-15.6 V。LET作为新型的多功能光电子器件,可以在单个器件中实现开关控制和自发光的功能,能有效的简化像素电路而降低显示制造的成本。本文分别采用低温溶液加工的Sc:In2O3作为电子传输层、高发光效率的核-壳结构的量子点作为发光层,制备了可溶液加工的混合LET（QD-HLET）。该QD-HLET具有良好的电学和光学开/关比,并实现了8.7%的外量子效率（EQE）和0.8 cm~2V-1s-1的电子迁移率。进一步地,本文通过采用底栅、非共平面的非对称源/漏电极的结构设计来增强有效的电子/空穴注入,并结合Sc:In2O3/Zn O异质结作为电子传输层和红光量子点作为发光层,实现了具有22.8%的EQE、3.1 cm~2V-1s-1的电子迁移率和10~5的电/光开关比的QD-HLET器件。如此优异的性能主要得益于合理的器件设计、匹配的能级结构、以及栅极对异质结中电子浓度的调制。在不同的运行模式下器件表现出不同的光学和电学特性,以此深入地研究了LET器件的运行机理。通过监测不同栅压下器件亮度的衰减我们研究了器件运行稳定性的差异,并获得了153000 h的T50寿命。最后,本文研究了不同空穴传输层材料对QD-HLET器件性能的影响,并采用正交溶剂的方法实现了高性能溶液加工的QD-HLET器件的制备。进一步地通过控制Sc:In2O3厚度优化异质结能带结构,从而改善了低电流密度下的电子注入势垒,提高QD-HLET器件性能。因此。该溶液加工的QD-HLET实现了2.7 cm~2V-1s-1的电子迁移率、129000cd/m~2的最大亮度、18.5%的EQE峰值以及100 cd/m~2下8000小时的T50寿命。基于以上研究,本文提出了LET的电子、空穴注入的双控模型,解释了LET高发光效率的原因。
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