本文關(guān)鍵詞：金屬氧化物和有機(jī)薄膜晶體管的溶液法制備與應(yīng)用研究

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【摘要】：高性能薄膜晶體管(TFT)是平板顯示產(chǎn)業(yè)中背板技術(shù)的核心部件,也是提高電子設(shè)備顯示效果、降低成本的重要環(huán)節(jié)。目前,基于硅半導(dǎo)體(無(wú)定型和多晶)的晶體管仍是商業(yè)中應(yīng)用最廣的。然而,隨著柔性、大面積、高分辨和三維顯示技術(shù)的發(fā)展,對(duì)晶體管背板的性能要求越來(lái)越高,非晶硅的低遷移率和脆性,多晶硅性能的非均一性限制了它們?cè)谶@些領(lǐng)域的應(yīng)用。有機(jī)半導(dǎo)體由于具有良好的機(jī)械柔性、遷移率及原料多樣性而受到廣泛關(guān)注。另外,光學(xué)透明的金屬氧化物半導(dǎo)體由于其理想的遷移率(1-100 cm~2 V(~-1)s~(-1))、電學(xué)穩(wěn)定和均一性等性能優(yōu)勢(shì)并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用,是另一種備受關(guān)注的材料。然而,目前很多有機(jī)半導(dǎo)體和商業(yè)應(yīng)用的金屬氧化物薄膜的制備仍然依賴于真空制備技術(shù),如氣相沉積、磁控濺射等,從而造成制備成本高、加工速度慢且依賴于復(fù)雜的光刻過(guò)程。因此,本論文的主要工作集中于用溶液法來(lái)實(shí)現(xiàn)低成本、高效率、大面積以及自下而上(bottom-up)的圖案化制備,從而為今后金屬氧化物和有機(jī)半導(dǎo)體的卷對(duì)卷制備工藝提供研究和理論基礎(chǔ)。本論文的工作主要包括以下五個(gè)部分:1、使用三種環(huán)境友好的碳水化合物(山梨糖醇,葡萄糖和蔗糖)作為高效燃料來(lái)促進(jìn)銦鎵鋅氧化物(IGZO)薄膜燃燒合成從而解決溶液法低溫制備的IGZO TFTs性能差的難題。熱分析結(jié)果表明:這些碳水化合物可以顯著降低前驅(qū)體的點(diǎn)火溫度(~52℃),增加燃燒反應(yīng)熱焓,其值從約200 J ~(g-1)增加至470J ~(g-1)。薄膜形態(tài)和結(jié)構(gòu)表征表明:加入適量的糖和乙酰丙酮形成的協(xié)同燃燒過(guò)程并不會(huì)在薄膜內(nèi)形成氣孔,且高熱焓的協(xié)同燃燒反應(yīng)可以得到更致密和更純的氧化物薄膜。器件測(cè)試結(jié)果表明:協(xié)同燃燒可以顯著提高IGZO晶體管的性能,其電子遷移率達(dá)到8.0 cm~2 V(~-1)s~(-1),同時(shí)具有很好的正偏壓穩(wěn)定性。另外,我們首次建立了前驅(qū)體的燃燒熱焓和氧化物薄膜致密化/電荷傳輸之間的線性關(guān)系。2、我們選擇化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)截然不同的四種輔助燃料(尿素,甘氨酸,山梨糖醇和L-抗壞血酸)與乙酰丙酮一起來(lái)研究燃燒反應(yīng)的協(xié)同機(jī)理。首先,熱分析結(jié)果顯示四種輔助燃料都可以降低前驅(qū)體的點(diǎn)火溫度,其中以L-抗壞血酸的效果最為明顯(-67℃)。同時(shí),添加合適量的輔助燃料能夠顯著強(qiáng)化燃燒過(guò)程并降低殘留量(約10%)。從而促進(jìn)IGZO薄膜晶格的形成與致密化,實(shí)現(xiàn)高的晶體管遷移率和良好的偏壓穩(wěn)定性。另外,通過(guò)系統(tǒng)地研究真空干燥前驅(qū)體的氫核磁共振譜、X射線衍射及其它熱分析,我們得到了輔助燃料的酸堿性、燃燒熱焓和熱穩(wěn)定性等影響燃燒反應(yīng)的主要指標(biāo),從而為尋找更優(yōu)的協(xié)同燃料提供方向。3、結(jié)合噴涂技術(shù)和燃燒反應(yīng)一起(SCS),我們實(shí)現(xiàn)了可圖案化大面積制備的透明全金屬氧化物晶體管。我們使用配備了超聲波噴嘴的自動(dòng)噴涂設(shè)備連續(xù)的制備了金屬氧化物電介質(zhì)、半導(dǎo)體和導(dǎo)體。其中,噴霧燃燒法制備的氧化鋯或氧化鋁電介質(zhì)具有良好的薄膜形態(tài)(均方根粗糙度0.3 nm)、低的漏電流密度(在2MV cm-1時(shí)為10-7 A cm-2)、高的面積電容值(600 n F cm-2)和高的介電強(qiáng)度(9MV cm-1)。噴霧燃燒法合成的銦錫氧化物(ITO)導(dǎo)體的電導(dǎo)率約265 S cm-1,顯著高于旋涂燃燒合成的ITO導(dǎo)體(7 S cm-1)�；趪婌F燃燒法制成的銦鋅氧化物(IZO)和IGZO半導(dǎo)體晶體管在氧化鋯電介質(zhì)上的電子遷移率分別高達(dá)42.5 cm~2V(~-1)s~(-1)和32.5 cm~2 V(~-1)s~(-1)。另外,在聚酯樹(shù)脂襯底上制備的柔性器件也具有約10cm~2 V(~-1)s~(-1)的電子遷移率和良好的彎曲特性。最后,我們?cè)诓Ａ蠈?shí)現(xiàn)了透明的全金屬氧化物晶體管的噴霧燃燒法制備,得到的器件具有約8 cm~2 V(~-1)s~(-1)的電子遷移率和良好的偏壓穩(wěn)定特性。4、使用快速提拉法實(shí)現(xiàn)了有機(jī)半導(dǎo)體薄膜在疏水表面的選擇性生長(zhǎng)。硅片襯底(Si O2/Si)經(jīng)疏水處理后圖案化蒸鍍親水的金電極形成具有親水和疏水圖案的Si O2/Si襯底。在提拉過(guò)程中,液膜會(huì)覆蓋金電極及其溝道區(qū)域,在溶劑蒸發(fā)即可形成覆蓋電極和溝道區(qū)域的有機(jī)薄膜。研究發(fā)現(xiàn)該有機(jī)微條帶的選址性生長(zhǎng)依賴于襯底表面能、金電極幾何特征、溝道間距、提拉速率和溶劑蒸發(fā)環(huán)境。基于以上研究,我們推斷出選擇性生長(zhǎng)的機(jī)理,并歸因于溶液的收縮和蒸發(fā)兩種競(jìng)爭(zhēng)行為。有趣的是,通過(guò)測(cè)試圖案化薄膜的電學(xué)性能(底接觸晶體管),我們得到了2.0×10-3 cm~2 V(~-1)s~(-1)的空穴遷移率,而沒(méi)有經(jīng)過(guò)疏水處理的底接觸晶體管卻沒(méi)有場(chǎng)效應(yīng)特性。本章提出的可靠、快速且基于溶液法的自下而上的圖案化技術(shù)為今后大規(guī)模低成本制備提供了一個(gè)可行的方法。5、制備了基于選擇性生長(zhǎng)的有機(jī)薄膜晶體管氨氣傳感器。我們對(duì)比了直接提拉和圖案化提拉薄膜的形態(tài)和結(jié)構(gòu),表明基于圖案化的提拉法可以調(diào)控薄膜的厚度和結(jié)晶性。利用疏水襯底的低陷阱界面,空氣中快速揮發(fā)形成的超薄膜(約2納米),以及有機(jī)分子本身的條帶狀生長(zhǎng)方式使得該底柵晶體管對(duì)氨氣顯示出快速的響應(yīng)/回復(fù)速度和較高的靈敏度(約160)。并且根據(jù)無(wú)機(jī)晶體管的傳輸機(jī)制,我們?cè)敿?xì)的說(shuō)明了多晶有機(jī)半導(dǎo)體的氨氣傳感機(jī)制。
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN321.5

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本文編號(hào)：1296074