基于噴墨打印的圓形電極結(jié)構(gòu)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(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)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(tǒng)工藝制備TFT需要進(jìn)行光刻、蒸鍍電極等步驟,工藝繁瑣、耗時(shí)較長且存在著刻蝕劑等廢液的影響，導(dǎo)致成品率參差不齊等問題.現(xiàn)階段，快速發(fā)展的微電子行業(yè)逐漸顯現(xiàn)出局限性.近年來,噴墨打印技術(shù)在材料圖案化以及光電器件研究領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注,與傳統(tǒng)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(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)[2].與此同時(shí),微米級(jí)別的薄膜晶體管驅(qū)動(dòng)集成平板顯示近年來正愈發(fā)成為未來的主流趨勢(shì),研究人員開始將減小晶體管結(jié)構(gòu)所占版圖面積作為優(yōu)化目標(biāo).長期以來,TFT器件的圖案化電極基本都采用的是左右對(duì)稱型方形電極,或者類似的其他不閉環(huán)結(jié)構(gòu)電極,這些電極都存在著電極中央與端部之間機(jī)械和電學(xué)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(gè)晶體管面積,而且具有各向從源電極到漏電極均勻?qū)挾鹊臏系啦糠?在減小電極面積的同時(shí)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(tǒng)電極薄膜晶體管更小的漏電流和更大的導(dǎo)通電流,有足夠的驅(qū)動(dòng)電流和耐壓，同時(shí)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(yōu)勢(shì),采用噴墨打印方式在襯底上形成同心圓形狀的半導(dǎo)體層和電極,研究改變圓形電極間的溝道寬度對(duì)所制備TFT器件性能的影響.

1 噴墨打印原理

噴墨打印技術(shù)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(jí)的噴頭,按照設(shè)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?yàn)閲娔∷⒅苽涞挠袡C(jī)半導(dǎo)體薄膜存在結(jié)晶度低的問題,導(dǎo)致了其制備的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)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(fā)時(shí)有展寬效應(yīng)等問題[7],然而相比于傳統(tǒng)制備工藝,噴墨打印器件有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是無法被代替的[2].

2 實(shí)驗(yàn)

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(yōu)勢(shì),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(fù)雜的溶液制備薄膜方法,是目前實(shí)驗(yàn)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(shè)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(jìn)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(jī)物等雜質(zhì),然后用N2吹干附著在表面的水滴,放置在干凈的培養(yǎng)皿中備用.

將清洗好的硅襯底固定在勻膠機(jī)托盤上,啟動(dòng)勻膠機(jī),滴膠運(yùn)行速度依次設(shè)置為1 500 r/min，2 500 r/min，運(yùn)行時(shí)間設(shè)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(zhuǎn)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(huì)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?jǐn)?并快速蒸發(fā)干燥形成薄膜.當(dāng)完成一層薄膜旋涂后,如旋涂實(shí)際效果不好,則重復(fù)上述步驟，再次進(jìn)行旋涂,直至旋涂實(shí)際效果達(dá)到要求為止.

將所得薄膜放置于退火爐中進(jìn)行大氣環(huán)境下的空氣退火,退火溫度設(shè)置為450 ℃,升溫速率5 ℃/min,退火時(shí)間90 min,升溫完成后隨即進(jìn)入空氣下的保溫環(huán)節(jié),保溫時(shí)間1 h,保溫結(jié)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(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of circular electrode with different channel widths

采用噴墨打印技術(shù)(Ink-jet printing)制備圓形結(jié)構(gòu)電極.本文采用壓電式噴頭,其獨(dú)特的非接觸打印方式對(duì)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(jié)構(gòu)如圖1所示.

根據(jù)實(shí)際打印效果選擇打印次數(shù),完成電極圖案打印后,如打印效果不佳則重復(fù)上述步驟,繼續(xù)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(huán)境中150℃下退火30 min,隨后自然冷卻,獲得最終的銀電極.

3 結(jié)果與討論

對(duì)所制得的不同溝道寬度的圓形電極TFT器件的電學(xué)性能,本文采用美國Keysight Technologies公司生產(chǎn)的半導(dǎo)體參數(shù)儀進(jìn)行TFT電學(xué)測(cè)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(zhuǎn)移特性曲線Fig.6 Transfer characteristic curves of circular TFT with different channel widths

轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移特性曲線,VGS為柵極電壓,設(shè)置VGS的測(cè)試范圍為 -20 V～30 V.

閾值電壓VTH、場(chǎng)效應(yīng)遷移率μ、開關(guān)電流比Ion/Ioff和亞閾值擺幅SS是場(chǎng)效應(yīng)晶體管的4個(gè)基本電學(xué)參數(shù),閾值電壓VTH是指能夠開啟場(chǎng)效應(yīng)晶體管的最小工作柵壓VGS,可通過轉(zhuǎn)移曲線獲得,在IDS=0 軸上的截距為閾值電壓VTH[10];場(chǎng)效應(yīng)遷移率μ是指單位電場(chǎng)下載流子的漂移速度[11],它能夠反映半導(dǎo)體在不同電場(chǎng)情況下電子或空穴的遷移能力,有著決定器件開關(guān)速度的重要作用[12],計(jì)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(chǎng)效應(yīng)晶體管的開關(guān)比Ion/Ioff定義為器件在開態(tài)源漏電流Ion和關(guān)態(tài)源漏電流Ioff的比值,反映了在一定的柵壓范圍內(nèi),器件作為開關(guān)元件性能的好壞[13];亞閾值斜率SS,mV/decade,表示場(chǎng)效應(yīng)晶體管由關(guān)態(tài)切換到開態(tài)時(shí)電流變化的迅疾程度,能夠反映器件由開態(tài)到關(guān)態(tài)所需的電壓跨度[14],計(jì)算公式為:

(2)

計(jì)算結(jié)果見表1.

表1 不同溝道圓形TFT的基本參數(shù)對(duì)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(guān)比Ion/Ioff、遷移率μ、亞閾值擺幅SS和閾值電壓VT等4個(gè)基本參數(shù)都有所改善,器件性能得到明顯提升,高的開關(guān)比表明器件具有更好的穩(wěn)定性、抗干擾性和更大的驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力[15],若開關(guān)比低,器件性能則相應(yīng)下降.

4 結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 器件溝道寬度越小,器件性能越優(yōu);圓形結(jié)構(gòu)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(guān)電流比增大.當(dāng)溝道寬度為50 μm時(shí),開關(guān)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.