近日，南方科技大学电子与电气工程系陈树明课题组2018级光电专业本科生陈昶元作为第一作者在电子器件顶级期刊IEEE Electron Device Letters上发表了题为“Al reaction-induced conductive a-InGaZnO as pixel electrode for active-matrix quantum-dot LED display”的研究论文。论文提出了一种以Al诱导导体化处理后的a-IGZO作为AMQLED像素电极的新结构。
量子点发光二极管(QLED)由于具有发射颜色可调、色纯度高、加工简单等优点，被认为是下一代显示技术很有前景的候选者之一。对于高分辨率的显示应用，需要有源矩阵(active-matrix, AM)驱动，其中每个QLED都配备多个薄膜晶体管(TFT)。基于非晶态铟镓氧化锌( a-IGZO)的TFT由于具有高迁移率、低制造成本和大面积兼容性等优点，可用来驱动QLED像素。在制作这样一个AMQLED像素，至少需要7次光刻图形化工艺，如图1a所示。
图1 传统结构(a)和基于导体化a-IGZO共同电极的新结构(b)的AMQLED像素的示意截面图
为了提高QLED的性能和降低制造成本，研究团队利用Al反应诱导a-IGZO导体化，并利用导体化的a-IGZO作为TFT和QLED的公共电极，从而减少了传统结构中ITO电极及其覆盖层图形化的两道光刻工艺（图1b），简化AMQLED的制造工艺和成本，同时还有效的提高了QLED的性能。
(1) Al诱导导体化的a-IGZO制备方法
为了制备导电的a-IGZO，首先在玻璃上沉积100nm的a-IGZO，然后在室温下通过直流溅射沉积5nm的Al层。然后，样品在空气中200℃退火90min。在热的辅助下，部分Al可以与来自空气或a-IGZO中的O2反应，从而形成Al2O3表面层。最后，将样品浸泡在显影液中，将表面的氧化铝冲洗掉。
图2 Al反应诱导导体化a-InGaZnO的制备
(2) Al诱导导体化的机理研究
在a-IGZO表面，来自a-IGZO的氧与Al反应活跃，导致在a-IGZO表面形成氧空位。然后，氧从a-IGZO层内部扩散到表面，填补表面氧空位，并与Al反应，Al不断从a-IGZO中提取氧。通过重复扩散和反应过程，氧空位可以均匀分布在整个100nm的a-IGZO层内，从而使整个a-IGZO层导电。经过Al诱导的100nm a-IGZO的平均电子浓度为1019~1020cm-3，比未处理的a-IGZO高5~6个数量级。另外，通过对工艺进行优化，研究团队发现在5nm Al, 200℃退火40min的最优诱导条件下，所得到的100nm a-IGZO的面电阻约为120 Ω/□，平均透过率为92.13%，满足作为像素电极的要求。
图3 Al诱导导体化a-IGZO的工艺优化
(3) Al诱导导体化a-IGZO作为QLED的像素电极
以Al诱导导体化的a-IGZO作为阴极，制备了结构为glass/a-IGZO 100 nm/ZnMgO 40 nm/QD 20 nm/CBP 50 nm/MoO3 8 nm/Al 100nm的倒置QLED。为了比较，还制作了使用ITO阴极的QLED。如图４所示，采用所提出的a-IGZO阴极，红光QLED的外量子效率高达26%，超过ITO阴极器件的22.45%。效率提升的原因主要归功于a-IGZO的表面Al2O3层，它可阻挡电子的注入，从而提高器件的电荷注入平衡，减少了无辐射的俄歇复合。
图4 基于a-IGZO或ITO阴极的倒置红光器件的J-V-L (a)、EQE (b)、PE (c)与单电子器件的J-V特性（d）
(4) Al诱导导体化a-IGZO作为TFT和QLED公共电极
研究团队集成了基于a-IGZO 的TFT与倒置QLED，并采用Al诱导导体化a-IGZO作为TFT和QLED公共电极，如图５所示。TFT的沟道电流可受到栅极电压的有效控制。在对TFT的源漏(S/D)电极施加恒定电压后，器件的亮度可以由栅电压得到有效控制。在恒定的VDS条件下，栅极可以有效地调节注入QLED的电流，从而调节LED的亮度。例如，在14 V的VDS下，QLED的亮度可以从暗态有效调节到超过1000 cd/m2的亮度，可满显示应用的需求。
图5 基于导体化a-IGZO公共电极的AMQLED像素
