【摘要】：薄膜晶體管(TFT),作為實現(xiàn)電信號處理、控制與傳輸功能的基礎元器件,廣泛應用于平板顯示、柔性電子和智能電子等新興領域。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注。目前,以IGZO(indium-gallium-zinc-oxide)為有源層的氧化物TFT已實現(xiàn)了量產,但該半導體薄膜采用物理氣相沉積法制備,需要昂貴的真空設備和光刻設備,造成器件制備成本高。溶液加工無需真空設備,是一種可以大大降低生產成本、實現(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發(fā)光二極管(AMQLED)字符顯示器方面取得了進展,為今后溶液加工氧化物TFT的應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體薄膜的紫外微圖形化技術,無需光刻膠就能實現(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轉化為In-OH,并且極大減少了前驅體薄膜中Cl~-雜質含量,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的場效應遷移率是未圖形化InO_x TFT場效應遷移率的十倍以上。為進一步提升低溫圖形化InO_x TFT器件的性能,本論文對InO_x薄膜進行Li摻雜并進行了成分的優(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)出良好的正負柵偏壓穩(wěn)定性。(2)利用噴墨印刷中的咖啡環(huán)效應制備了窄寬度的疏水咖啡條紋,在此基礎上,利用疏水咖啡環(huán)條紋的阻隔效應和去潤濕效應,實現(xiàn)了源漏電極前驅體墨水的短距離隔離,并進一步實現(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),電流開關比高達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現(xiàn)柵極和介質層的等寬度圖形化,利用陽極氧化實現(xiàn)柵極兩側絕緣層的覆蓋生長,從而實現(xiàn)介質層對柵極的包覆,進一步利用源漏電極前驅體墨水在疏水聚合物咖啡條紋上的去潤濕效應而實現(xiàn)源漏電極與柵電極的自對準,在此基礎上實現(xiàn)印刷自對準氧化物TFT。所制備的自對準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到2.1MHz。(4)研究了一種通用的“溶劑印刷”技術,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器件結構和介質層材料進行優(yōu)化,本論文實現(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”技術實現(xiàn)了頂柵結構印刷氧化物TFT背板,并進一步在印刷TFT背板上集成溶液加工量子點發(fā)光二極管,從而首次實現(xiàn)基于噴墨印刷氧化物TFT背板的AMQLED簡單字符顯示器,初步驗證了噴墨印刷氧化物TFT應用于顯示器件的可行性。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2;TN321.5
【圖文】：

華南理工大學博士學位論文好的基礎，但也是限制其電學性能提升的內在因素。因為 Si 材料是共價型載流子在材料內部的傳輸依賴于方向性極強的 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），容易形成較強限制了 a-Si:H TFT 的場效應遷移率提升。由于驅動 OLED 發(fā)光需要較大的更高的穩(wěn)定性，a-Si:HTFT 難以滿足驅動 OLED 器件的要求，因此其在下中的應用受到了限制[3-5]。

在潮濕環(huán)境中退火實現(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)出良好的器件電學特性，器件的線性遷移率達到8cm2V-1s-1，電流開關比大于 106，且具有較小的遲滯電壓和亞閾值擺幅。美國西北大學Facchetti 課題組[46]將燃燒法引入氧化物半導體薄膜的制備中而實現(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℃）對前驅體薄膜進行加熱，薄膜中的氧化劑和燃料發(fā)生“燃燒反應”放熱，促進了前驅體薄膜的分解、脫水和固化，低溫下生成質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，且電流開關比大于 103，該工作展示了燃燒法應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量氧化物 TFT，由于輔助燃料降低了前驅體薄膜中主燃料的“點火溫度”且提高了燃料體系的燃燒焓，基于該前驅體制備的 IGZOTFT 的場效應遷移率和器件穩(wěn)定性均表現(xiàn)出明顯的提升[47,48]。

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 孫加振;鄺e

本文編號：2735273