基于噴墨打印的圓形電極結構薄膜晶體管制備與研究

陸 璐，楊小天，沈兆偉，周 路，王 超

吉林建筑大學 電氣與計算機學院,長春 130118

0 引言

薄膜晶體管(Thin film transistor,簡稱TFT)是平板顯示的核心部件之一[1],利用傳統工藝制備TFT需要進行光刻、蒸鍍電極等步驟,工藝繁瑣、耗時較長且存在著刻蝕劑等廢液的影響，導致成品率參差不齊等問題.現階段，快速發展的微電子行業逐漸顯現出局限性.近年來,噴墨打印技術在材料圖案化以及光電器件研究領域引起了廣泛的關注,與傳統方法如旋涂、光刻和蒸鍍等相比較,具有速度快、直接圖案化、單步打印步驟和受環境影響小等優點[2].與此同時,微米級別的薄膜晶體管驅動集成平板顯示近年來正愈發成為未來的主流趨勢,研究人員開始將減小晶體管結構所占版圖面積作為優化目標.長期以來,TFT器件的圖案化電極基本都采用的是左右對稱型方形電極,或者類似的其他不閉環結構電極,這些電極都存在著電極中央與端部之間機械和電學行為不同的問題[3].因此,圓形電極的提出不僅有效減少了單個晶體管面積,而且具有各向從源電極到漏電極均勻寬度的溝道部分,在減小電極面積的同時又獲得了更大的溝道面積,使得帶有圓形電極的薄膜晶體管有著相比于傳統電極薄膜晶體管更小的漏電流和更大的導通電流,有足夠的驅動電流和耐壓，同時圓形電極可以起到抑制薄膜晶體管特性變化的作用[4].本文擬利用噴墨打印材料圖案化的優勢,采用噴墨打印方式在襯底上形成同心圓形狀的半導體層和電極,研究改變圓形電極間的溝道寬度對所制備TFT器件性能的影響.

1 噴墨打印原理

噴墨打印技術是一種新型的薄膜與器件的制備手段,其基本原理就是利用微米量級的噴頭,按照設定的圖案,將溶液以微液滴形式噴射到襯底上.其方式主要包括:壓電式、熱泡式和電磁閥式等.噴墨打印法[4]主要是利用壓電原理將墨水噴涂在基底上,然后退火處理形成圖案化薄膜，可適用于柔性、表面不平的基底.因為噴墨印刷制備的有機半導體薄膜存在結晶度低的問題,導致了其制備的有機場效應器件性能通常不如旋涂法制備的器件[5],Cho等[5]制備出具有高性能的噴墨印刷場效應晶體管.James等[6]制備了定向有序的有源層薄膜.雖然噴墨打印存在著諸如溶劑在揮發時有展寬效應等問題[7],然而相比于傳統制備工藝,噴墨打印器件有其獨特的優點是無法被代替的[2].

2 實驗

2.1 圓形電極薄膜晶體管的制備

首先采用旋涂工藝在Si/SiO2襯底上旋涂一層厚度較為均勻的銦鎵鋅氧化物(Indium gallium zinc oxide,英文縮寫為IGZO)薄膜.旋涂法制備薄膜操作簡單、制備快速等優勢,通過精確控制勻膠速度,從而控制旋涂薄膜的厚度,所以通常用旋涂法來代替其他較為復雜的溶液制備薄膜方法,是目前實驗室條件下薄膜制備的一種普遍方法[8],具體流程如下:

選用Si/SiO2襯底并清洗表面:利用超聲設備將單面沉積SiO2的硅片依次放入丙酮、乙醇和去離子水中進行超聲波清洗處理,通過上述步驟可有效去除硅片表面的灰塵及有機物等雜質,然后用N2吹干附著在表面的水滴,放置在干凈的培養皿中備用.

將清洗好的硅襯底固定在勻膠機托盤上,啟動勻膠機,滴膠運行速度依次設置為1 500 r/min，2 500 r/min，運行時間設定為40 s.用移液槍將制備好的IGZO溶液滴加在襯底上,襯底在高速旋轉離心力的作用下將IGZO溶液甩開成膜[9],因此滴加在襯底上的IGZO溶液大部分都會因巨大的離心力作用而脫離襯底表面,剩下的少部分溶液能夠吸附在襯底上均勻分攤,并快速蒸發干燥形成薄膜.當完成一層薄膜旋涂后,如旋涂實際效果不好,則重復上述步驟，再次進行旋涂,直至旋涂實際效果達到要求為止.

將所得薄膜放置于退火爐中進行大氣環境下的空氣退火,退火溫度設置為450 ℃,升溫速率5 ℃/min,退火時間90 min,升溫完成后隨即進入空氣下的保溫環節,保溫時間1 h,保溫結束后自然冷卻,最終獲得TFT器件的有源層.

圖1 不同溝道寬度圓形電極的基本結構Fig.1 Basic structure of circular electrode with different channel widths

采用噴墨打印技術(Ink-jet printing)制備圓形結構電極.本文采用壓電式噴頭,其獨特的非接觸打印方式對易碎襯底十分合適,打印電極的外圍尺寸為0.8 mm×0.8 mm、電壓范圍為220 V～280 V,打印速度為2 mm/s,溝道寬度分別為250 μm,150 μm,100 μm,50 μm.打印電極的基本結構如圖1所示.

根據實際打印效果選擇打印次數,完成電極圖案打印后,如打印效果不佳則重復上述步驟,繼續打印直至最終制得所需不同溝道寬度的圓形電極TFT.然后將所制TFT放置在熱板上,并在空氣環境中150℃下退火30 min,隨后自然冷卻,獲得最終的銀電極.

3 結果與討論

對所制得的不同溝道寬度的圓形電極TFT器件的電學性能,本文采用美國Keysight Technologies公司生產的半導體參數儀進行TFT電學測試與分析.輸出特性曲線(IDS-VDS)表示在不同的柵電壓VG作用下,漏源電流IDS隨漏源電壓VDS的變化曲線,VDS掃描范圍為0 V～30 V.如圖2～圖5所示,其中圖4中的輸出特性曲線VG=0 V與VG=5 V基本重合.

圖2 250 μm溝道寬度圓形TFT的輸出特性曲線Fig.Output characteristic curves of circular TFT with 250 μm channel width

圖3 150 μm溝道寬度圓形TFT的輸出特性曲線Fig.3 Output characteristic curves of circular TFT with 150 μm channel width

圖4 100 μm溝道寬度圓形TFT的輸出特性曲線Fig.4 Output characteristic curves of circular TFT with 100 μm channel width

圖5 50 μm溝道寬度圓形TFT的輸出特性曲線Fig.5 Output characteristic curves of circular TFT with 50 μm channel width

圖6 不同溝道寬度圓形TFT的轉移特性曲線Fig.6 Transfer characteristic curves of circular TFT with different channel widths

轉移曲線(ISD-VGS):在不同的源漏電壓VDS下,源漏電流IDS隨柵壓VGS的變化曲線.圖6為不同溝道寬度圓形TFT的轉移特性曲線,VGS為柵極電壓,設置VGS的測試范圍為 -20 V～30 V.

閾值電壓VTH、場效應遷移率μ、開關電流比Ion/Ioff和亞閾值擺幅SS是場效應晶體管的4個基本電學參數,閾值電壓VTH是指能夠開啟場效應晶體管的最小工作柵壓VGS,可通過轉移曲線獲得,在IDS=0 軸上的截距為閾值電壓VTH[10];場效應遷移率μ是指單位電場下載流子的漂移速度[11],它能夠反映半導體在不同電場情況下電子或空穴的遷移能力,有著決定器件開關速度的重要作用[12],計算公式如下:

(1)

式中,μ為遷移率,cm2/(V·s);L為溝道寬度,nm;K為IDS1/2-VGS曲線直線部分的斜率;Ci為絕緣層單位面積的電容,F/cm2;W為溝道寬度,nm.

場效應晶體管的開關比Ion/Ioff定義為器件在開態源漏電流Ion和關態源漏電流Ioff的比值,反映了在一定的柵壓范圍內,器件作為開關元件性能的好壞[13];亞閾值斜率SS,mV/decade,表示場效應晶體管由關態切換到開態時電流變化的迅疾程度,能夠反映器件由開態到關態所需的電壓跨度[14],計算公式為:

(2)

計算結果見表1.

表1 不同溝道圓形TFT的基本參數對比Table 1 Comparison of basic parameters of circular TFT with different channels

由表1可知,通過減小圓形TFT的溝道寬度,器件開關比Ion/Ioff、遷移率μ、亞閾值擺幅SS和閾值電壓VT等4個基本參數都有所改善,器件性能得到明顯提升,高的開關比表明器件具有更好的穩定性、抗干擾性和更大的驅動負載能力[15],若開關比低,器件性能則相應下降.

4 結論

本文采用噴墨打印方法成功地制備出不同溝道寬度圓形電極TFT器件,實驗結果表明, 器件溝道寬度越小,器件性能越優;圓形結構電極TFT器件隨著溝道寬度的減小,其閾值電壓減小,載流子遷移率上升,開關電流比增大.當溝道寬度為50 μm時,開關電流比約為105,閾值電壓為4 V,亞閾值擺幅為4 V·dec-1,遷移率約為0.5 cm2·(V·s)-1.