【摘要】：柔性透明電子器件是可穿戴設(shè)備及物聯(lián)網(wǎng)中的核心元器件,以低成本的方式獲得穩(wěn)定可靠且高性能的柔性透明電子器件和電路是實(shí)現(xiàn)新一代電子信息技術(shù)突破的關(guān)鍵。柔性透明薄膜晶體管(TFT)、二極管(diode)和反相器(inverter)等電子器件,由于機(jī)械性能可靠、可見光透過率高和電學(xué)性能優(yōu)異,再加上質(zhì)量輕、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn),在可穿戴傳感器、柔性顯示器、射頻電子標(biāo)簽(RFID)、電子皮膚和可植入醫(yī)療等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。區(qū)別于傳統(tǒng)硅基、藍(lán)寶石基和玻璃基的電子器件,柔性透明電子器件大多是在有機(jī)聚合物襯底上采用低溫(200°C)工藝制備完成的。如何在低溫下獲得良好的材料質(zhì)量和器件性能,一直是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的技術(shù)難題。氧化鋅(ZnO)及其合金材料由于可以在低溫下通過多種方式制備,被認(rèn)為是柔性透明電子器件領(lǐng)域最富潛力的半導(dǎo)體材料之一。論文中介紹了多種以ZnO為有源層材料的柔性透明電子器件及其薄膜沉積和器件制備工藝。首先,本文開展了對柔性透明ZnO-TFT微加工制備工藝的摸索和優(yōu)化。我們采用磁控濺射和原子層沉積技術(shù)在低溫下制備了半導(dǎo)體、絕緣體和透明電極薄膜,結(jié)合紫外光刻和刻蝕等常規(guī)微加工工藝制作了TFT器件;工藝優(yōu)化主要圍繞著解決柔性聚合物襯底的不穩(wěn)定性及熱膨脹差異引起的問題展開。研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過高溫?zé)崽幚碇?柔性襯底的性質(zhì)變得更加穩(wěn)定;再結(jié)合包角沉積絕緣層對聚合物襯底進(jìn)行包覆的方法,可有效阻擋水氧的進(jìn)出,并可使襯底表面更趨平滑。與一般晶體生長的原理不同,沉積溫度越低(接近室溫),所獲得的器件性能越好,這是因?yàn)榭刂茰囟茸兓梢詼p小由熱膨脹差異所帶來的晶格缺陷。除此之外,無機(jī)薄膜在聚合物襯底上的粘附性較差,薄膜易起皺、脫落,襯底受熱易彎曲變形等問題也在本論文中有所探討。其次,本文設(shè)計(jì)了一種新穎的場效應(yīng)二極管結(jié)構(gòu),并深入探討了其器件物理。與TFT一樣,二極管也是柔性透明電路中不可或缺的一種關(guān)鍵元器件。然而,雖然目前柔性透明TFT的研究如火如荼,柔性透明二極管的研究卻異常緩慢。這是由于氧化物多是單一極性的,很難獲得穩(wěn)定的同質(zhì)PN結(jié),而采用透明電極的肖特基結(jié)也只有很小的勢壘。我們設(shè)計(jì)制作的柔性透明場效應(yīng)二極管,其整流比可高達(dá)10~8,且制備工藝和TFT完全相同,可實(shí)現(xiàn)很好的工藝兼容。我們采用TCAD軟件對場效應(yīng)二極管的器件物理進(jìn)行了模擬,通過搭建整流電路,可以對交流信號(hào)進(jìn)行很好地整流。在此基礎(chǔ)上,我們對柔性透明的高壓TFT和高壓二極管器件進(jìn)行了探索和研究。傳統(tǒng)GaN和SiC高壓器件在電力電子領(lǐng)域有重要的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用,而柔性透明的ZnO高壓器件則在構(gòu)建一體化光伏系統(tǒng)(BIPV)和摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)的能源管理電路中有著巨大的應(yīng)用潛力。通過在器件中引入特定尺寸的錯(cuò)排(offset)區(qū)域,我們成功制備了柔性透明的高壓TFT和高壓二極管器件,其擊穿電壓最高可達(dá)150V,實(shí)驗(yàn)結(jié)果和TCAD器件模擬分析表明,offset區(qū)域的具體尺寸對器件的電壓和電流大小產(chǎn)生相反的影響,因此我們可以根據(jù)實(shí)際工作需求、通過改變offset區(qū)域的長度來調(diào)節(jié)擊穿電壓和開態(tài)電流的數(shù)值。進(jìn)一步地,我們采用4個(gè)柔性高壓二極管組合成柔性高壓全波整流電路,成功地將TENG產(chǎn)生的高壓交流電整流為直流電,并存儲(chǔ)到超級(jí)電容器中。最后,本文研發(fā)了一套制作柔性高壓器件的自對準(zhǔn)光刻工藝。如前所述的高壓器件,在光刻過程中不可避免地會(huì)引入圖形之間對準(zhǔn)的偏差,從而導(dǎo)致器件性能的均一性和重復(fù)性差,這種問題在柔性器件中則尤為突出,會(huì)對柔性高壓器件的批量生產(chǎn)造成很大的影響。為了解決這一問題,我們研發(fā)了一種基于接近式曝光原理的自對準(zhǔn)光刻工藝,通過控制背曝光的劑量,可以控制offset區(qū)域的長度,從而精確地調(diào)控高壓器件的電學(xué)性能,大大地提高了器件的均一性和可重復(fù)性。綜上所述,經(jīng)過器件工藝的摸索和優(yōu)化,我們成功地制備了高性能的柔性透明TFT器件;在此基礎(chǔ)上,我們對TFT器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計(jì),獲得了新型的柔性場效應(yīng)二極管器件;接下來,我們制作了柔性全透明高壓TFT和高壓二極管器件,并研究了它們的工作原理及其在能量管理方面的具體應(yīng)用;最后,針對柔性高壓器件中的對準(zhǔn)偏差問題,我們研發(fā)了一套自對準(zhǔn)的光刻工藝,提高了高壓器件的均一性和可重復(fù)性,為其批量生產(chǎn)奠定了工藝基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN05
【圖文】：

就是光學(xué)透過率截止波長在可見光區(qū)（~500nm），導(dǎo)致其呈現(xiàn)出一種半透明的態(tài)，這會(huì)影響 PI 襯底在一些需要全透明電路的系統(tǒng)中的應(yīng)用。針對這一問題目前也已經(jīng)有全透明的 PI 薄膜（ColorlessPI，CPI）[11]，并且已經(jīng)成功應(yīng)用在性 IGZOTFT 上[12]。相比之下，PET 有著極高的光學(xué)透過率和處于紫外區(qū)的透截止波長（~300nm），目前廣泛用作 LCD 顯示器的保護(hù)膜。然而，PET 的不之處在于其玻璃化溫度只有 80°C，這會(huì)給器件的微加工制備帶來困難。針對一問題，近些年已經(jīng)有許多研究工作將 PET 的工作溫度逐步提高[13 15]。PEN底的性能趨于中庸，其玻璃化溫度為 120°C，透過率截止波長為 380nm，是一工藝兼容性更好的透明聚合物襯底。受低維材料研究及轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)印技術(shù)發(fā)展的動(dòng)，PDMS 越來越多地出現(xiàn)在研究報(bào)道中。除了作為轉(zhuǎn)移媒介之外，PDMS 還以作為襯底，在其上制作可彎曲和可拉伸的電子器件[16 20]。除此之外，25-100圖 1. 2 本論文中使用的柔性透明襯底及其透過率曲線。

受柔性襯底所限，溝道層的沉積和處理溫度玻璃化溫度。對于一般的柔性透明襯底，該溫度不超過 ，僅有 80°C。在這樣的低溫工藝下制備的半導(dǎo)體薄膜通態(tài)。對傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體來說，它的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂是由3 ）和反鍵態(tài)（sp3 *）構(gòu)成的，它的帶隙是由 - *能級(jí)3a）。正是由于 sp3 軌道雜化的正四面體方向性，導(dǎo)致硅賴于成鍵方向（如圖 1.3b）。也正是由于這個(gè)原因，非晶m2/Vs）比單晶硅的電子遷移率（μ>1000cm2/Vs）低了約 3 中，情況就完全不同。由于 ZnO 中化學(xué)鍵具有很強(qiáng)的離鄰的陰陽離子之間傳輸。帶隙是通過馬德隆勢提高 Zn 中硅半導(dǎo)體的能帶形成機(jī)理和（b）導(dǎo)帶、價(jià)帶的電子態(tài)密度。（c）體的能帶形成機(jī)理和（d）導(dǎo)帶、價(jià)帶的電子態(tài)密度。

、HfO2、ZrO2等，由于可以在低溫下通過原子層為在柔性器件中無機(jī)絕緣層材料的首選。絕緣層等無機(jī)絕緣層可以在低溫下方便地制備，且絕緣械性能上存在劣勢，微小的應(yīng)變就有可能使絕發(fā)現(xiàn)，80nm 厚 ALD 沉積的 Al2O3薄膜僅能承受研究也發(fā)現(xiàn)，200nm 厚陽極氧化的 Al2O3薄膜僅大的應(yīng)變就會(huì)在薄膜中產(chǎn)生裂痕，從而導(dǎo)致薄材料[52]，如聚(4-乙烯基苯酚)[poly(4-vinylphen觀測到的 200nm 厚的 Al2O3薄膜在承受 0.6%的應(yīng)變之后

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 張永暉;梅增霞;梁會(huì)力;杜小龍;;Review of flexible and transparent thin-film transistors based on zinc oxide and related materials[J];Chinese Physics B;2017年04期

本文編號(hào)：2795165