目前，薄膜晶体管(TFT)已发展成一个巨大的产业，应用于显示器等领域，业界主流的TFT技术有低温多晶硅(LTPS)、非晶硅(a-Si)和氧化物TFT。随着新兴电子技术的出现，以可穿戴电子和柔性显示为代表，薄膜集成电路变得越来越重要，并且对薄膜材料性能提出了新的要求，比如成本低，可柔性，稳定性高等。a-Si的场效应迁移率低，而且在可见光或偏压下阈值电压会发生漂移。LTPS受限于多晶特性均一性相对较低且工艺复杂导致成本高。新兴的有机半导体、碳纳米管等TFT近年来发展也很迅速，但因还存在稳定性、纯度等问题，产业技术成熟度还需进一步提升。非晶铟镓锌氧(a-IGZO)的出现使氧化物半导体受到越来越多的关注。相比于其他主流TFT技术，氧化物半导体具有可见光下透明、场效应迁移率高、稳定性和均一性好、可低温甚至室温制备（因此可在柔性衬底上加工）、成本低等优点。当前报道的氧化物电路大部分是单极技术，特别是基于IGZO TFT。造成这种现状的根源在于难以获取高性能的P型氧化物TFT。然而与单极技术相比，互补技术展现了全方面的优势，包括但不限于功耗低、抗干扰能力强、集成度密度高、轨对轨输出等。为了实现氧化物互补电路，一些课题组采用了混合互补技术，使用有机或者其他材料的P型TFT与N型氧化物TFT搭配，取得了不错的电路性能。混合互补技术最大的问题在于工艺复杂和解决工艺兼容带来的高成本。在报道的有限P型氧化物材料中，氧化亚锡(SnO)被认为是最有前途的材料之一，主要是由于空穴迁移率高，可低温大规模制备，且稳定性好。基于全氧化物半导体的互补技术理论上是最佳方案，尽管有一些相关的文献报道，但是发展十分缓慢，研究的电路还局限在反相器、逻辑门、环形振荡器等简单电路单元，这些电路功能单一，集成度低。更重要的是在时序逻辑电路方面，特别是触发器的研究还是空白。为了更快推动氧化物半导体应用于新兴领域，提升全氧化物互补电路的功能和规模迫在眉睫。
　　任何集成电路技术的发展都需要精准的器件模型在仿真时准确地预测电路行为，因为这样能够让电路设计变得更加高效并且节约成本。主流建模方法为半经验法，在载流子输运机制和材料特性的基础上添加一些拟合函数或者经验参数。当前研究氧化物TFT模型的文献基本局限于N型TFT，可以满足单极氧化物电路仿真的需求，由于P型氧化物TFT的一些物理机制尚不明确，使用半经验法建模存在极大的挑战，导致相关研究非常少，这也是其他新型半导体材料正在或即将面临的问题。因此，寻找一种不考虑物理机制和材料特性的建模方法有利于推动全氧化物互补电路仿真技术的发展，也为其他新型半导体材料提供参考。
　　论文针对氧化物半导体在互补集成电路方面发展落后的现状，以N型IGZO TFT和P型SnO TFT为基础，设计并研制了大面积均匀且稳定性好的高性能互补反相器，并首次制备出静态随机存取存储器(SRAM)，也首次系统地制备了三种类型的触发器，特别是边沿D触发器的实现填补了当前研究空白。基于边沿D触发器并集成90个TFTs，本论文设计并成功制备了一个2位二进制可逆计数器，并从功能和良品率两方面论证了N-IGZO与P-SnO大规模互补集成的可能性。论文详细分析了这些电路的电学性能，并将它们的性能参数与已报道的文献进行了比较。首次将人工神经网络(ANN)建模方法应用于SnO TFT，并在电路仿真软件平台实现了器件特性仿真。论文的主要研究内容如下:
　　1.高性能反相器
　　出色的器件均一性是大规模集成电路正常工作的必要前提。目前P型氧化物TFT仍处于起步阶段，很少有文献做过相关实验。本论文从所研制的P型SnO TFTs中随机选取8个，通过计算在不同VDS下它们阈值电压的平均值和标准方差，对器件性能均一性进行了评估。这些SnO TFTs展现了和IGZO TFTs一样出色的均一性。反相器是现代电路系统的基石，评价反相器性能的参数主要有三个:开关阈值电压（VSP），最大电压增益（Gainmax）和噪声容限水平（或者过渡宽度）。当SnO TFT宽长比与IGZO TFT宽长比的比值(N)为8时，能够使VSP接近理想状态，等于电源电压一半(VDD/2)。在1cm×1cm的衬底上随机挑选N=8但IGZO TFT宽长比不同的12个反相器。对核心参数进行离散度分析，在VDD=8V时，VSP为4±0.022V，意味着每个反相器的VSP都达到理想状态，且高、低噪声容限水平均衡;过渡宽度仅为1.04±0.024V，有效输入电压比例高达87.5％，抗干扰能力极强;Gainmax为113±16.5，最高值达到142，打破了当时全氧化物互补反相器的Gainmax记录。相对文献报道的氧化物互补反相器存在以上三个核心性能参数不能兼顾的问题，本实验制备的反相器首次同时实现了理想的VSP、高的噪声容限水平且两者均衡和极高的Gainmax，并且出色的性能完全可重复。
　　2.高性能SRAM
　　SRAM单元对于数据处理是必不可少的电路模块。论文首次制备出全氧化物互补SRAM单元，面积只有0.0208mm2，在报道的基于柔性半导体的SRAM单元中是最小的。基于传统的静态电压传输特性曲线方法研究了读、写和保持状态下的工作稳定性，通过图形化的方式提取出读、写和保持静态噪声容限，分别为1.43、1.67和2.3V。另外，SRAM单元的疲劳测试以及在空气中放置5个月后重新测试的静态电压传输特性显示无论是长时间工作或者长期暴露在空气中都具有很好的稳定性。由于SRAM单元在读操作时更容易失败，N曲线方法也被用于分析读稳定性，静态电流和电压噪声容限分别为13μA和2.05V。数据写入时间是一个非常重要的参数，越短越好，可从动态波形中提取。写“1”和写“O”的转换时间分别为121和82μs，和其他基于柔性半导体的SRAM单元相比，这是最短的写入时间。研究结果表明，使用氧化物半导体制备的互补SRAM拥有出色的性能，具有极高的潜力用于大规模柔性电子中的数据存储和处理。
　　3.时序逻辑电路
　　当前还没有文献报道全氧化物互补边沿D触发器，更不用说功能复杂且集成度更高的时序逻辑电路，研究进度远远落后于单极电路等。论文首次制备出全氧化物互补边沿D触发器，并研究了边沿D触发器输出信号对输入信号电压范围变化的鲁棒性，发现即使输入信号的高、低电平电压差小至1V(高电平电压为4.5V,低电平电压为3.5V)，输出信号仍然能够保持不变。其次，从动态波形中提取了边沿D触发器的延迟时间。从“0”到“1”和从“1”到“0”的传播延迟时间分别为17和40μs，相应的传输延迟时间分别为31.6和46.3μs。与基于有机半导体的互补边沿D触发器相比，这样的延迟时间也是非常短的。最后，基于高性能互补边沿D触发器，论文使用90个TFTs设计并成功制备了一个2位二进制可逆计数器，实现了加计数和减计数功能。该电路良品率为55％，简单折算成单个TFT的良品率为99.34％。论文从功能和良品率两方面论证了N-IGZO与P-SnO大规模互补集成的可能性。
　　4.SnO TFT器件模型
　　仿真技术是薄膜集成电路技术发展过程中必不可少的一环，然而由于缺乏精准的SnO TFT模型，全氧化物互补电路的仿真工作便无从谈起。论文首次将ANN应用于SnO TFT建模，选择多层感知器神经网络并采用反向误差传播算法。根据影响漏-源电流（IDS）的内部和外部参数，模型确定了三个输入变量和一个输出变量。训练样本为7个不同W/L值SnO TFTs的输出特性曲线。论文研究了样本容量大小对性能和迭代时间的影响，确定了恰当的电压采样间隔。另外，神经元数量和迭代次数分别设置为50和500。使用平均绝对相对误差(MARE)计算ANN模型的精度。将漏-源电压(VDS)的一部分电压范围用于训练神经网络，剩余电压范围用于预测IDS，开态电流MARE为2.25％。同样使用一部分栅-源电压(VGS)范围预测IDS，开态电流MARE为0.3％。可见建立的SnO TFT模型精度足够高，能够满足电路仿真要求。最后，从ANN模型到可用于电路仿真软件的模型还需要使用Pspice语言转换为Pspice模型，论文也顺利完成了这一部分的工作。