氧化物柔性透明电子学器件物理及工艺研究

发布时间：2020-08-17 09:50

【摘要】：柔性透明电子器件是可穿戴设备及物联网中的核心元器件,以低成本的方式获得稳定可靠且高性能的柔性透明电子器件和电路是实现新一代电子信息技术突破的关键。柔性透明薄膜晶体管(TFT)、二极管(diode)和反相器(inverter)等电子器件,由于机械性能可靠、可见光透过率高和电学性能优异,再加上质量轻、体积小、成本低等优点,在可穿戴传感器、柔性显示器、射频电子标签(RFID)、电子皮肤和可植入医疗等领域都有广泛的应用。区别于传统硅基、蓝宝石基和玻璃基的电子器件,柔性透明电子器件大多是在有机聚合物衬底上采用低温(200°C)工艺制备完成的。如何在低温下获得良好的材料质量和器件性能,一直是学术界和产业界共同关注的技术难题。氧化锌(ZnO)及其合金材料由于可以在低温下通过多种方式制备,被认为是柔性透明电子器件领域最富潜力的半导体材料之一。论文中介绍了多种以ZnO为有源层材料的柔性透明电子器件及其薄膜沉积和器件制备工艺。首先,本文开展了对柔性透明ZnO-TFT微加工制备工艺的摸索和优化。我们采用磁控溅射和原子层沉积技术在低温下制备了半导体、绝缘体和透明电极薄膜,结合紫外光刻和刻蚀等常规微加工工艺制作了TFT器件;工艺优化主要围绕着解决柔性聚合物衬底的不稳定性及热膨胀差异引起的问题展开。研究发现,经过高温热处理之后,柔性衬底的性质变得更加稳定;再结合包角沉积绝缘层对聚合物衬底进行包覆的方法,可有效阻挡水氧的进出,并可使衬底表面更趋平滑。与一般晶体生长的原理不同,沉积温度越低(接近室温),所获得的器件性能越好,这是因为控制温度变化可以减小由热膨胀差异所带来的晶格缺陷。除此之外,无机薄膜在聚合物衬底上的粘附性较差,薄膜易起皱、脱落,衬底受热易弯曲变形等问题也在本论文中有所探讨。其次,本文设计了一种新颖的场效应二极管结构,并深入探讨了其器件物理。与TFT一样,二极管也是柔性透明电路中不可或缺的一种关键元器件。然而,虽然目前柔性透明TFT的研究如火如荼,柔性透明二极管的研究却异常缓慢。这是由于氧化物多是单一极性的,很难获得稳定的同质PN结,而采用透明电极的肖特基结也只有很小的势垒。我们设计制作的柔性透明场效应二极管,其整流比可高达10~8,且制备工艺和TFT完全相同,可实现很好的工艺兼容。我们采用TCAD软件对场效应二极管的器件物理进行了模拟,通过搭建整流电路,可以对交流信号进行很好地整流。在此基础上,我们对柔性透明的高压TFT和高压二极管器件进行了探索和研究。传统GaN和SiC高压器件在电力电子领域有重要的产业应用,而柔性透明的ZnO高压器件则在构建一体化光伏系统(BIPV)和摩擦纳米发电机(TENG)的能源管理电路中有着巨大的应用潜力。通过在器件中引入特定尺寸的错排(offset)区域,我们成功制备了柔性透明的高压TFT和高压二极管器件,其击穿电压最高可达150V,实验结果和TCAD器件模拟分析表明,offset区域的具体尺寸对器件的电压和电流大小产生相反的影响,因此我们可以根据实际工作需求、通过改变offset区域的长度来调节击穿电压和开态电流的数值。进一步地,我们采用4个柔性高压二极管组合成柔性高压全波整流电路,成功地将TENG产生的高压交流电整流为直流电,并存储到超级电容器中。最后,本文研发了一套制作柔性高压器件的自对准光刻工艺。如前所述的高压器件,在光刻过程中不可避免地会引入图形之间对准的偏差,从而导致器件性能的均一性和重复性差,这种问题在柔性器件中则尤为突出,会对柔性高压器件的批量生产造成很大的影响。为了解决这一问题,我们研发了一种基于接近式曝光原理的自对准光刻工艺,通过控制背曝光的剂量,可以控制offset区域的长度,从而精确地调控高压器件的电学性能,大大地提高了器件的均一性和可重复性。综上所述,经过器件工艺的摸索和优化,我们成功地制备了高性能的柔性透明TFT器件;在此基础上,我们对TFT器件的结构进行了创新性设计,获得了新型的柔性场效应二极管器件;接下来,我们制作了柔性全透明高压TFT和高压二极管器件,并研究了它们的工作原理及其在能量管理方面的具体应用;最后,针对柔性高压器件中的对准偏差问题,我们研发了一套自对准的光刻工艺,提高了高压器件的均一性和可重复性,为其批量生产奠定了工艺基础。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN05
【图文】：

透过率曲线,透明衬底,柔性,截止波长

就是光学透过率截止波长在可见光区（~500nm），导致其呈现出一种半透明的态，这会影响 PI 衬底在一些需要全透明电路的系统中的应用。针对这一问题目前也已经有全透明的 PI 薄膜（ColorlessPI，CPI）[11]，并且已经成功应用在性 IGZOTFT 上[12]。相比之下，PET 有着极高的光学透过率和处于紫外区的透截止波长（~300nm），目前广泛用作 LCD 显示器的保护膜。然而，PET 的不之处在于其玻璃化温度只有 80°C，这会给器件的微加工制备带来困难。针对一问题，近些年已经有许多研究工作将 PET 的工作温度逐步提高[13 15]。PEN底的性能趋于中庸，其玻璃化温度为 120°C，透过率截止波长为 380nm，是一工艺兼容性更好的透明聚合物衬底。受低维材料研究及转移、转印技术发展的动，PDMS 越来越多地出现在研究报道中。除了作为转移媒介之外，PDMS 还以作为衬底，在其上制作可弯曲和可拉伸的电子器件[16 20]。除此之外，25-100图 1. 2 本论文中使用的柔性透明衬底及其透过率曲线。

硅半导体,电子态密度,形成机理,价带

受柔性衬底所限，沟道层的沉积和处理温度玻璃化温度。对于一般的柔性透明衬底，该温度不超过，仅有 80°C。在这样的低温工艺下制备的半导体薄膜通态。对传统的硅基半导体来说，它的导带底和价带顶是由3 ）和反键态（sp3 *）构成的，它的带隙是由 - *能级3a）。正是由于 sp3 轨道杂化的正四面体方向性，导致硅赖于成键方向（如图 1.3b）。也正是由于这个原因，非晶m2/Vs）比单晶硅的电子迁移率（μ>1000cm2/Vs）低了约 3 中，情况就完全不同。由于 ZnO 中化学键具有很强的离邻的阴阳离子之间传输。带隙是通过马德隆势提高 Zn 中硅半导体的能带形成机理和（b）导带、价带的电子态密度。（c）体的能带形成机理和（d）导带、价带的电子态密度。

Al2O3薄膜,裂痕,绝缘层,乙烯基苯酚

、HfO2、ZrO2等，由于可以在低温下通过原子层为在柔性器件中无机绝缘层材料的首选。绝缘层等无机绝缘层可以在低温下方便地制备，且绝缘械性能上存在劣势，微小的应变就有可能使绝发现，80nm 厚 ALD 沉积的 Al2O3薄膜仅能承受研究也发现，200nm 厚阳极氧化的 Al2O3薄膜仅大的应变就会在薄膜中产生裂痕，从而导致薄材料[52]，如聚(4-乙烯基苯酚)[poly(4-vinylphen观测到的 200nm 厚的 Al2O3薄膜在承受 0.6%的应变之后

【参考文献】