代表性研究成果5：稀土掺杂氧化物薄膜晶体管及其在柔性发光显示中的应用探索
2018年我国将成为全球显示产业第一大国，对颠覆性技术的需求十分迫切。薄膜晶体管（TFT）是所有显示技术的基础核心部件，它的技术变革一直引领着显示产业的发展。进入平面液晶显示时期，进一步开启了柔性AMOLED显示新时代。
半导体是TFT的核心材料，其关键技术指标是电子迁移率和稳定性。目前有三类半导体材料进入了产业化：非晶硅、多晶硅、氧化物。硅基材料比较成熟，已经在电视、手机应用中实现了规模量产。氧化物技术起步较晚，只在大尺寸电视领域开始应用，综合大尺寸、低成本、高分辨率性能指标要求，氧化物材料最具发展前景。
由日本发明的氧化物（Ga:In:ZnO），在高分辨率AMOLED显示应用中遇到了瓶颈：稳定性和迁移率需进一步提高；TFT结构复杂（需要背沟道保护）、成本高；低温制备、薄膜封装、集成技术不成熟。氧化物TFT的柔性AMOLED显示尚处于技术开发中。
针对以上问题，取得了如下创新成果：
（1）新型高性能氧化物材料：根据原子的电子结构及电负性原理发明了稀土掺杂氧化物新材料体系（LnxIn1-xZnO4，简称Ln-IZO），大幅提高了TFT性能、突破了国外专利保护。研究发现，稀土掺杂（如Nd掺杂）的氧化物随着温度的升高会产生O2pàNd4f的电荷转移（|Nd3d5/254f 4O2p–1>态），恰好能补偿IZO体内随着温度升高而产生的氧空位转移（VOàVO2+），形成|Nd3d5/254f 4VOn+>态，从而显著提高加温光照下的电学稳定性；此外，稀土元素掺入会使In―O键长缩短，有利增强In5s电子轨道的交叠，减小导带底电子的有效质量，能够显著提高电子的迁移率。从材料设计角度解决了TFT电子迁移率低、稳定性差的根本性问题（与日本发明的In:Ga:ZnO材料比较，Ln-IZO的迁移率高达50.2 cm2 V-1 s-1，提高了5倍；监测阈值电压漂移指标，光照稳定性提高2个数量级；热-偏压稳定性提高4倍；电学稳定性工作寿命超过11年），性能满足驱动OLED显示屏的产业需求。
（2）低成本器件结构：碳膜具有致密性，容易加工，而且容易干净清除，不产生污染。基于此，发明了碳纳米膜代替传统SiO2薄膜保护氧化物TFT沟道的新型器件结构，可以将TFT图形化的光刻次数由 6次减少到 5次，制造成本可降低约15%。此外，由于不需要高精度光刻沟道保护膜工序，易实现短沟道TFT器件，可显著提高TFT阵列的分辨率，且此工艺与a-Si产线兼容，有望直接升级a-Si生产线。利用碳纳米膜沟道保护免光刻工艺的TFT新器件结构，我们实现了超过800ppi的超高分辨率AMOLED显示屏。
（3）柔性AMOLED集成技术：柔性AMOLED显示技术最大难点是低温工艺、消除薄膜应力和提高稳定性。我们利用电化学阳极氧化方法室温制备了高介电常数的AlOx:Nd介电层；通过薄膜生长速率控制调控正负应力平衡，突破了柔性衬底上薄膜制备的应力管控技术，使柔性屏在制备过程中不发生卷曲；利用水氧分子穿透薄膜机制，设计了多层薄膜结构，突破了高质量薄膜封装技术，实现了水透过率< 10-6 g/m2/day；将Ln-IZO氧化物成功应用于长寿命彩色柔性AMOLED显示，实现了高性能化；2013年 8月9日，我们发布了首款PEN普通塑料衬底的柔性彩色 AMOLED显示屏，实现了我国柔性彩色AMOLED显示技术零的突破。实时监控弯曲次数超过100万次。2016年5月《NATURE》网站刊登了新华社特稿《聚焦广州》，介绍了华南理工大学新型彩色柔性AMOLED显示的成果；国内主流媒体（中华人民共和国中央人民政府网站、人民日报等）报道：华南理工大学研制成功我国第一块彩色柔性 AMOLED 显示屏，使传统的硬屏变成了可折叠和弯曲的柔性屏；此外，美国光学学会，对我们发明的新型氧化物 TFT 技术和柔性AMOLED 工作给予了亮点报道。
研究成果的应用价值
1）国产化替代：新建生产线，直接采用Ln-IZO新材料体系，实现高性能材料的国产化替代。目前我国龙头显示企业京东方集团已经对我们的新材料通过了初评，正在测试规模应用该材料的可行性。
2）非晶硅生产线升级改造：将目前的非晶硅量产线（全国现有28条）升级改造为Ln-IZO新材料生产线（工艺兼容，具有可行性），生产高分辨率、高性能的AMOLED显示屏，该工作的应用市场空间巨大，经济和社会效益将十分显著。
相关工作申请中国发明专利75件（其中授权发明专利46件，PCT专利3件），发表SCI论文148篇，引用3551次，影响因子大于10的论文12篇；该成果获得了2017年度广东省科技发明一等奖。
