【摘要】：薄膜晶體管(TFT),作為實(shí)現(xiàn)電信號處理、控制與傳輸功能的基礎(chǔ)元器件,廣泛應(yīng)用于平板顯示、柔性電子和智能電子等新興領(lǐng)域。氧化物TFT由于具有較高的載流子遷移率(1-100cm~2V~(-1)s~(-1))、對可見光透明、大面積均勻性好等優(yōu)勢而在過去的十幾年間引起了廣泛關(guān)注。目前,以IGZO(indium-gallium-zinc-oxide)為有源層的氧化物TFT已實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn),但該半導(dǎo)體薄膜采用物理氣相沉積法制備,需要昂貴的真空設(shè)備和光刻設(shè)備,造成器件制備成本高。溶液加工無需真空設(shè)備,是一種可以大大降低生產(chǎn)成本、實(shí)現(xiàn)大面積制備氧化物TFT的方法。本論文作者圍繞溶液加工氧化物TFT開展了一系列的研究,在氧化物薄膜的直接光刻圖形化、噴墨印刷短溝道TFT、噴墨印刷自對準(zhǔn)TFT、全噴墨印刷TFT和基于噴墨印刷TFT背板的有源矩陣量子點(diǎn)發(fā)光二極管(AMQLED)字符顯示器方面取得了進(jìn)展,為今后溶液加工氧化物TFT的應(yīng)用開辟了一條可行的路徑。本論文的主要成果概況如下:(1)研究了基于水溶劑的氧化物前驅(qū)體薄膜的紫外微圖形化技術(shù),無需光刻膠就能實(shí)現(xiàn)圖形化,簡化了工藝,降低了成本,同時降低了薄膜的退火溫度。研究表明圖形化過程中所使用的紫外照射和去離子水處理不僅將In-Cl轉(zhuǎn)化為In-OH,并且極大減少了前驅(qū)體薄膜中Cl~-雜質(zhì)含量,從而大大降低了薄膜的后退火溫度和最終氧化物薄膜中的缺陷。圖形化InO_x TFT的場效應(yīng)遷移率是未圖形化InO_x TFT場效應(yīng)遷移率的十倍以上。為進(jìn)一步提升低溫圖形化InO_x TFT器件的性能,本論文對InO_x薄膜進(jìn)行Li摻雜并進(jìn)行了成分的優(yōu)化,在180℃的退火條件下,15at.%Li摻雜的InO_x:Li TFT表現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)特性,其飽和遷移率為8.35±1.25cm~2V~(-1)s~(-1),且器件在聚苯乙烯鈍化后表現(xiàn)出良好的正負(fù)柵偏壓穩(wěn)定性。(2)利用噴墨印刷中的咖啡環(huán)效應(yīng)制備了窄寬度的疏水咖啡條紋,在此基礎(chǔ)上,利用疏水咖啡環(huán)條紋的阻隔效應(yīng)和去潤濕效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了源漏電極前驅(qū)體墨水的短距離隔離,并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了印刷短溝道氧化物TFT。該方法克服了普通噴墨打印設(shè)備精度低和墨水在基板上鋪展難以控制的限制,所制備的短溝道ITO電極對的溝道長度均小于5μm且具有良好的均一性,短溝道InO_x TFT的最大飽和遷移率為4.9cm~2V~(-1)s~(-1),電流開關(guān)比高達(dá)2.7×10~9。(3)采用噴墨印刷制備的疏水聚合物咖啡條紋作為刻蝕阻擋層實(shí)現(xiàn)柵極和介質(zhì)層的等寬度圖形化,利用陽極氧化實(shí)現(xiàn)柵極兩側(cè)絕緣層的覆蓋生長,從而實(shí)現(xiàn)介質(zhì)層對柵極的包覆,進(jìn)一步利用源漏電極前驅(qū)體墨水在疏水聚合物咖啡條紋上的去潤濕效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)源漏電極與柵電極的自對準(zhǔn),在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)印刷自對準(zhǔn)氧化物TFT。所制備的自對準(zhǔn)In_(0.95)Sc_(0.05)O_x TFT的寄生電容低至0.37pF,器件工作截止頻率達(dá)到2.1MHz。(4)研究了一種通用的“溶劑印刷”技術(shù),解決了氧化物TFT疊層、跨膜印刷的墨滴圖案難以控制的問題,首次實(shí)現(xiàn)了全印刷的氧化物TFT陣列。研究表明疏水圖案不僅有效地限制了氧化物前驅(qū)體油墨的鋪展,從而定義了印刷氧化薄膜的圖案,而且還提供了一種調(diào)節(jié)印刷氧化物薄膜表面形貌的簡單方法。通過對TFT器件結(jié)構(gòu)和介質(zhì)層材料進(jìn)行優(yōu)化,本論文實(shí)現(xiàn)了平均遷移率為10.8cm~2V~(-1)s~(-1)的全印刷頂柵In_(0.95)Ga_(0.05)O_x TFT,并且器件在正負(fù)柵偏壓下均表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。(5)采用“溶劑印刷”技術(shù)實(shí)現(xiàn)了頂柵結(jié)構(gòu)印刷氧化物TFT背板,并進(jìn)一步在印刷TFT背板上集成溶液加工量子點(diǎn)發(fā)光二極管,從而首次實(shí)現(xiàn)基于噴墨印刷氧化物TFT背板的AMQLED簡單字符顯示器,初步驗(yàn)證了噴墨印刷氧化物TFT應(yīng)用于顯示器件的可行性。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2;TN321.5
【圖文】：

華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文好的基礎(chǔ)，但也是限制其電學(xué)性能提升的內(nèi)在因素。因?yàn)?Si 材料是共價型載流子在材料內(nèi)部的傳輸依賴于方向性極強(qiáng)的 sp3雜化軌道，而無定型 SiSi 原子與 Si 原子的 sp3雜化軌道的交疊概率�。ㄒ妶D 1-1），容易形成較強(qiáng)限制了 a-Si:H TFT 的場效應(yīng)遷移率提升。由于驅(qū)動 OLED 發(fā)光需要較大的更高的穩(wěn)定性，a-Si:HTFT 難以滿足驅(qū)動 OLED 器件的要求，因此其在下中的應(yīng)用受到了限制[3-5]。

在潮濕環(huán)境中退火實(shí)現(xiàn)干燥環(huán)境旋涂的金屬醇鹽薄膜原位脫水縮合，基于此制備的 IZOTFT 在 230℃的低溫退火條件下表現(xiàn)出良好的器件電學(xué)特性，器件的線性遷移率達(dá)到8cm2V-1s-1，電流開關(guān)比大于 106，且具有較小的遲滯電壓和亞閾值擺幅。美國西北大學(xué)Facchetti 課題組[46]將燃燒法引入氧化物半導(dǎo)體薄膜的制備中而實(shí)現(xiàn)氧化物 TFT 的低溫制備，如圖 1-2，燃燒法采用金屬硝酸鹽作為氧化劑、引入乙酰丙酮或尿素作為燃料，在低溫條件下（＜250℃）對前驅(qū)體薄膜進(jìn)行加熱，薄膜中的氧化劑和燃料發(fā)生“燃燒反應(yīng)”放熱，促進(jìn)了前驅(qū)體薄膜的分解、脫水和固化，低溫下生成質(zhì)量較高的氧化物薄膜。在 200℃的退火條件下，基于燃燒法制備的 InOxTFT 具有 6cm2V-1s-1的飽和遷移率，且電流開關(guān)比大于 103，該工作展示了燃燒法應(yīng)用于低溫制備氧化物 TFT 的前景。在隨后的研究中，該課題組先后報道了碳水化合物（山梨糖醇、蔗糖、葡萄糖）和硝基乙酰丙酮作為輔助燃料制備低溫高質(zhì)量氧化物 TFT，由于輔助燃料降低了前驅(qū)體薄膜中主燃料的“點(diǎn)火溫度”且提高了燃料體系的燃燒焓，基于該前驅(qū)體制備的 IGZOTFT 的場效應(yīng)遷移率和器件穩(wěn)定性均表現(xiàn)出明顯的提升[47,48]。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 孫加振;鄺e

本文編號：2735273