溶液加工氧化物薄膜晶体管器件研究
发布时间：2020-06-30 11:54
【摘要】：薄膜晶体管(TFT),作为实现电信号处理、控制与传输功能的基础元器件,广泛应用于平板显示、柔性电子和智能电子等新兴领域。氧化物TFT由于具有较高的载流子迁移率(1-100cm~2V~(-1)s~(-1))、对可见光透明、大面积均匀性好等优势而在过去的十几年间引起了广泛关注。目前,以IGZO(indium-gallium-zinc-oxide)为有源层的氧化物TFT已实现了量产,但该半导体薄膜采用物理气相沉积法制备,需要昂贵的真空设备和光刻设备,造成器件制备成本高。溶液加工无需真空设备,是一种可以大大降低生产成本、实现大面积制备氧化物TFT的方法。本论文作者围绕溶液加工氧化物TFT开展了一系列的研究,在氧化物薄膜的直接光刻图形化、喷墨印刷短沟道TFT、喷墨印刷自对准TFT、全喷墨印刷TFT和基于喷墨印刷TFT背板的有源矩阵量子点发光二极管(AMQLED)字符显示器方面取得了进展,为今后溶液加工氧化物TFT的应用开辟了一条可行的路径。本论文的主要成果概况如下:(1)研究了基于水溶剂的氧化物前驱体薄膜的紫外微图形化技术,无需光刻胶就能实现图形化,简化了工艺,降低了成本,同时降低了薄膜的退火温度。研究表明图形化过程中所使用的紫外照射和去离子水处理不仅将In-Cl转化为In-OH,并且极大减少了前驱体薄膜中Cl~-杂质含量,从而大大降低了薄膜的后退火温度和最终氧化物薄膜中的缺陷。图形化InO_x TFT的场效应迁移率是未图形化InO_x TFT场效应迁移率的十倍以上。为进一步提升低温图形化InO_x TFT器件的性能,本论文对InO_x薄膜进行Li掺杂并进行了成分的优化,在180℃的退火条件下,15at.%Li掺杂的InO_x:Li TFT表现出优异的电学特性,其饱和迁移率为8.35±1.25cm~2V~(-1)s~(-1),且器件在聚苯乙烯钝化后表现出良好的正负栅偏压稳定性。(2)利用喷墨印刷中的咖啡环效应制备了窄宽度的疏水咖啡条纹,在此基础上,利用疏水咖啡环条纹的阻隔效应和去润湿效应,实现了源漏电极前驱体墨水的短距离隔离,并进一步实现了印刷短沟道氧化物TFT。该方法克服了普通喷墨打印设备精度低和墨水在基板上铺展难以控制的限制,所制备的短沟道ITO电极对的沟道长度均小于5μm且具有良好的均一性,短沟道InO_x TFT的最大饱和迁移率为4.9cm~2V~(-1)s~(-1),电流开关比高达2.7×10~9。(3)采用喷墨印刷制备的疏水聚合物咖啡条纹作为刻蚀阻挡层实现栅极和介质层的等宽度图形化,利用阳极氧化实现栅极两侧绝缘层的覆盖生长,从而实现介质层对栅极的包覆,进一步利用源漏电极前驱体墨水在疏水聚合物咖啡条纹上的去润湿效应而实现源漏电极与栅电极的自对准,在此基础上实现印刷自对准氧化物TFT。所制备的自对准In_(0.95)Sc_(0.05)O_x TFT的寄生电容低至0.37pF,器件工作截止频率达到2.1MHz。(4)研究了一种通用的“溶剂印刷”技术,解决了氧化物TFT叠层、跨膜印刷的墨滴图案难以控制的问题,首次实现了全印刷的氧化物TFT阵列。研究表明疏水图案不仅有效地限制了氧化物前驱体油墨的铺展,从而定义了印刷氧化薄膜的图案,而且还提供了一种调节印刷氧化物薄膜表面形貌的简单方法。通过对TFT器件结构和介质层材料进行优化,本论文实现了平均迁移率为10.8cm~2V~(-1)s~(-1)的全印刷顶栅In_(0.95)Ga_(0.05)O_x TFT,并且器件在正负栅偏压下均表现出优异的稳定性。(5)采用“溶剂印刷”技术实现了顶栅结构印刷氧化物TFT背板,并进一步在印刷TFT背板上集成溶液加工量子点发光二极管,从而首次实现基于喷墨印刷氧化物TFT背板的AMQLED简单字符显示器,初步验证了喷墨印刷氧化物TFT应用于显示器件的可行性。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;TN321.5
【图文】：
华南理工大学博士学位论文好的基础，但也是限制其电学性能提升的内在因素。因为 Si 材料是共价型载流子在材料内部的传输依赖于方向性极强的 sp3杂化轨道，而无定型 SiSi 原子与 Si 原子的 sp3杂化轨道的交叠概率小（见图 1-1），容易形成较强限制了 a-Si:H TFT 的场效应迁移率提升。由于驱动 OLED 发光需要较大的更高的稳定性，a-Si:HTFT 难以满足驱动 OLED 器件的要求，因此其在下中的应用受到了限制[3-5]。
在潮湿环境中退火实现干燥环境旋涂的金属醇盐薄膜原位脱水缩合，基于此制备的 IZOTFT 在 230℃的低温退火条件下表现出良好的器件电学特性，器件的线性迁移率达到8cm2V-1s-1，电流开关比大于 106，且具有较小的迟滞电压和亚阈值摆幅。美国西北大学Facchetti 课题组[46]将燃烧法引入氧化物半导体薄膜的制备中而实现氧化物 TFT 的低温制备，如图 1-2，燃烧法采用金属硝酸盐作为氧化剂、引入乙酰丙酮或尿素作为燃料，在低温条件下（＜250℃）对前驱体薄膜进行加热，薄膜中的氧化剂和燃料发生“燃烧反应”放热，促进了前驱体薄膜的分解、脱水和固化，低温下生成质量较高的氧化物薄膜。在 200℃的退火条件下，基于燃烧法制备的 InOxTFT 具有 6cm2V-1s-1的饱和迁移率，且电流开关比大于 103，该工作展示了燃烧法应用于低温制备氧化物 TFT 的前景。在随后的研究中，该课题组先后报道了碳水化合物（山梨糖醇、蔗糖、葡萄糖）和硝基乙酰丙酮作为辅助燃料制备低温高质量氧化物 TFT，由于辅助燃料降低了前驱体薄膜中主燃料的“点火温度”且提高了燃料体系的燃烧焓，基于该前驱体制备的 IGZOTFT 的场效应迁移率和器件稳定性均表现出明显的提升[47,48]。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;TN321.5
【图文】：
华南理工大学博士学位论文好的基础，但也是限制其电学性能提升的内在因素。因为 Si 材料是共价型载流子在材料内部的传输依赖于方向性极强的 sp3杂化轨道，而无定型 SiSi 原子与 Si 原子的 sp3杂化轨道的交叠概率小（见图 1-1），容易形成较强限制了 a-Si:H TFT 的场效应迁移率提升。由于驱动 OLED 发光需要较大的更高的稳定性，a-Si:HTFT 难以满足驱动 OLED 器件的要求，因此其在下中的应用受到了限制[3-5]。
在潮湿环境中退火实现干燥环境旋涂的金属醇盐薄膜原位脱水缩合，基于此制备的 IZOTFT 在 230℃的低温退火条件下表现出良好的器件电学特性，器件的线性迁移率达到8cm2V-1s-1，电流开关比大于 106，且具有较小的迟滞电压和亚阈值摆幅。美国西北大学Facchetti 课题组[46]将燃烧法引入氧化物半导体薄膜的制备中而实现氧化物 TFT 的低温制备，如图 1-2，燃烧法采用金属硝酸盐作为氧化剂、引入乙酰丙酮或尿素作为燃料，在低温条件下（＜250℃）对前驱体薄膜进行加热，薄膜中的氧化剂和燃料发生“燃烧反应”放热，促进了前驱体薄膜的分解、脱水和固化，低温下生成质量较高的氧化物薄膜。在 200℃的退火条件下，基于燃烧法制备的 InOxTFT 具有 6cm2V-1s-1的饱和迁移率，且电流开关比大于 103，该工作展示了燃烧法应用于低温制备氧化物 TFT 的前景。在随后的研究中，该课题组先后报道了碳水化合物（山梨糖醇、蔗糖、葡萄糖）和硝基乙酰丙酮作为辅助燃料制备低温高质量氧化物 TFT，由于辅助燃料降低了前驱体薄膜中主燃料的“点火温度”且提高了燃料体系的燃烧焓，基于该前驱体制备的 IGZOTFT 的场效应迁移率和器件稳定性均表现出明显的提升[47,48]。
【参考文献】
相关期刊论文 前3条
1 孙加振;邝e
本文编号：2735273
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/2735273.html
