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可降解基底金属氧化物半导体薄膜及薄膜晶体管关键技术研究

随着电子技术的迅猛发展，全球电子产品爆发式增长，损坏或淘汰的电子产品产生大量的电子废弃物（也称电子垃圾），我国已成为世界第二大电子垃圾生产国，这些日益增长的废弃物中通常含有有毒和/或不可降解的材料，导致严重的环境污染和健康问题，亟待解决。

本项目针对传统电子元器件的生产与废弃过程严重影响人类健康和生存环境重大民生问题，利用并发展可降解、低毒性、生物相容的材料，重点围绕可降解基底金属氧化物半导体薄膜材料生长与薄膜晶体管（TFT）制备与应用技术难题，突破低温对半导体薄膜质量及可降解TFT电学性能的限制，创新可降解基底TFT器件制备关键技术，取得如下创新成果：

（1）开发了一种可降解玉米蛋白基底氧化物半导体薄膜材料制备关键技术。解决了可降解玉米蛋白基底材料的制备工艺、可降解基底与氧化物半导体薄膜的界面问题等技术难题，制备出可实际应用的可降解基底氧化物半导体薄膜材料ZnO，有效推动了可降解基底半导体材料的实际应用。

（2）开发了一种可降解基底n型金属氧化物TFT制备方法，解决了可降解TFT全低温制备关键技术难题。提出了一种适应可降解基底特性的较为温和的半导体材料制备工艺，解决可降解基底材料/器件低温制备工艺引起的薄膜缺陷、以及可降解材料/器件与光刻工艺中腐蚀性液体的兼容性等共性关键技术难题，首次在室温下制备出性能优异并可实际应用的蛋白质基底金属氧化物TFT，器件电流开关比可达10⁵，稳定在10⁴，达到国际先进水平。

图1. 可降解n型TFT器件结构(a)，原型器件阵列的照片(b)，TFT单管照片(c)，

n型TFT-1器件转移特性曲线(d)，n型TFT-2器件转移特性曲线(e)

（3）发明了一种可降解基底p型金属氧化物TFT制备方法，破解了可降解基底材料耐热性差对器件制备工艺温度的限制，提高了可降解基底p型TFT电学性能。从基础理论出发，研究金属氧化物薄膜的电子结构与物理性能的关系，优化器件结构与制备工艺，成功在柔性衬底上和生物蛋白基底制备p型SnO-TFT，电流开关比达10⁴。

图2. 柔性TFT器件结构(a)，原型器件阵列的照片(b)，TFT单管照片(c)，

柔性p型TFT-1器件转移特性曲线(d)，柔性p型TFT-2器件转移特性曲线(e)

图3. 在可溶基底上制备p-SnO-TFT器件(a)，在器件表面制备蛋白质薄膜(b)，去除可溶基底(c)，蛋白质基底p-SnO-TFT器件转移特性曲线(d)

本项目共取得自主知识产权7项。其中，发明专利6项、实用新型专利1项。发表学术论文11篇，其中SCI收录5篇、EI收录3篇，获批吉林省科技厅等部门科研项目15项。技术成果已经在长春北方液晶工程研究开发中心有限公司、长春市芳冠电子科技有限公司等5家公司进行应用，为企业节约成本2290万元，解决了企业生产、研发中心部分技术难题。

综上，本研究成果以可降解薄膜材料为基底，在低温条件下制备无毒无害的、可生物降解的氧化物半导体材料，与先进的微纳制备工艺结合，成功制备出环境友好型新型薄膜晶体管器件，器件制备工艺成熟，电学性能稳定，达到国内领先、国际先进水平，产生了显著的经济、社会和生态效益，促进了可降解材料与电子器件在绿色电子、生物医学等领域的实际应用，积极推动了我省绿色电子技术的科技进步与发展。