基于喷墨打印的圆形电极结构薄膜晶体管制备与研究

陆 璐，杨小天，沈兆伟，周 路，王 超

吉林建筑大学 电气与计算机学院,长春 130118

0 引言

薄膜晶体管(Thin film transistor,简称TFT)是平板显示的核心部件之一[1],利用传统工艺制备TFT需要进行光刻、蒸镀电极等步骤,工艺繁琐、耗时较长且存在着刻蚀剂等废液的影响，导致成品率参差不齐等问题.现阶段，快速发展的微电子行业逐渐显现出局限性.近年来,喷墨打印技术在材料图案化以及光电器件研究领域引起了广泛的关注,与传统方法如旋涂、光刻和蒸镀等相比较,具有速度快、直接图案化、单步打印步骤和受环境影响小等优点[2].与此同时,微米级别的薄膜晶体管驱动集成平板显示近年来正愈发成为未来的主流趋势,研究人员开始将减小晶体管结构所占版图面积作为优化目标.长期以来,TFT器件的图案化电极基本都采用的是左右对称型方形电极,或者类似的其他不闭环结构电极,这些电极都存在着电极中央与端部之间机械和电学行为不同的问题[3].因此,圆形电极的提出不仅有效减少了单个晶体管面积,而且具有各向从源电极到漏电极均匀宽度的沟道部分,在减小电极面积的同时又获得了更大的沟道面积,使得带有圆形电极的薄膜晶体管有着相比于传统电极薄膜晶体管更小的漏电流和更大的导通电流,有足够的驱动电流和耐压，同时圆形电极可以起到抑制薄膜晶体管特性变化的作用[4].本文拟利用喷墨打印材料图案化的优势,采用喷墨打印方式在衬底上形成同心圆形状的半导体层和电极,研究改变圆形电极间的沟道宽度对所制备TFT器件性能的影响.

1 喷墨打印原理

喷墨打印技术是一种新型的薄膜与器件的制备手段,其基本原理就是利用微米量级的喷头,按照设定的图案,将溶液以微液滴形式喷射到衬底上.其方式主要包括:压电式、热泡式和电磁阀式等.喷墨打印法[4]主要是利用压电原理将墨水喷涂在基底上,然后退火处理形成图案化薄膜，可适用于柔性、表面不平的基底.因为喷墨印刷制备的有机半导体薄膜存在结晶度低的问题,导致了其制备的有机场效应器件性能通常不如旋涂法制备的器件[5],Cho等[5]制备出具有高性能的喷墨印刷场效应晶体管.James等[6]制备了定向有序的有源层薄膜.虽然喷墨打印存在着诸如溶剂在挥发时有展宽效应等问题[7],然而相比于传统制备工艺,喷墨打印器件有其独特的优点是无法被代替的[2].

2 实验

2.1 圆形电极薄膜晶体管的制备

首先采用旋涂工艺在Si/SiO2衬底上旋涂一层厚度较为均匀的铟镓锌氧化物(Indium gallium zinc oxide,英文缩写为IGZO)薄膜.旋涂法制备薄膜操作简单、制备快速等优势,通过精确控制匀胶速度,从而控制旋涂薄膜的厚度,所以通常用旋涂法来代替其他较为复杂的溶液制备薄膜方法,是目前实验室条件下薄膜制备的一种普遍方法[8],具体流程如下:

选用Si/SiO2衬底并清洗表面:利用超声设备将单面沉积SiO2的硅片依次放入丙酮、乙醇和去离子水中进行超声波清洗处理,通过上述步骤可有效去除硅片表面的灰尘及有机物等杂质,然后用N2吹干附着在表面的水滴,放置在干净的培养皿中备用.

将清洗好的硅衬底固定在匀胶机托盘上,启动匀胶机,滴胶运行速度依次设置为1 500 r/min，2 500 r/min，运行时间设定为40 s.用移液枪将制备好的IGZO溶液滴加在衬底上,衬底在高速旋转离心力的作用下将IGZO溶液甩开成膜[9],因此滴加在衬底上的IGZO溶液大部分都会因巨大的离心力作用而脱离衬底表面,剩下的少部分溶液能够吸附在衬底上均匀分摊,并快速蒸发干燥形成薄膜.当完成一层薄膜旋涂后,如旋涂实际效果不好,则重复上述步骤，再次进行旋涂,直至旋涂实际效果达到要求为止.

将所得薄膜放置于退火炉中进行大气环境下的空气退火,退火温度设置为450 ℃,升温速率5 ℃/min,退火时间90 min,升温完成后随即进入空气下的保温环节,保温时间1 h,保温结束后自然冷却,最终获得TFT器件的有源层.

图1 不同沟道宽度圆形电极的基本结构Fig.1 Basic structure of circular electrode with different channel widths

采用喷墨打印技术(Ink-jet printing)制备圆形结构电极.本文采用压电式喷头,其独特的非接触打印方式对易碎衬底十分合适,打印电极的外围尺寸为0.8 mm×0.8 mm、电压范围为220 V～280 V,打印速度为2 mm/s,沟道宽度分别为250 μm,150 μm,100 μm,50 μm.打印电极的基本结构如图1所示.

根据实际打印效果选择打印次数,完成电极图案打印后,如打印效果不佳则重复上述步骤,继续打印直至最终制得所需不同沟道宽度的圆形电极TFT.然后将所制TFT放置在热板上,并在空气环境中150℃下退火30 min,随后自然冷却,获得最终的银电极.

3 结果与讨论

对所制得的不同沟道宽度的圆形电极TFT器件的电学性能,本文采用美国Keysight Technologies公司生产的半导体参数仪进行TFT电学测试与分析.输出特性曲线(IDS-VDS)表示在不同的栅电压VG作用下,漏源电流IDS随漏源电压VDS的变化曲线,VDS扫描范围为0 V～30 V.如图2～图5所示,其中图4中的输出特性曲线VG=0 V与VG=5 V基本重合.

图2 250 μm沟道宽度圆形TFT的输出特性曲线Fig.Output characteristic curves of circular TFT with 250 μm channel width

图3 150 μm沟道宽度圆形TFT的输出特性曲线Fig.3 Output characteristic curves of circular TFT with 150 μm channel width

图4 100 μm沟道宽度圆形TFT的输出特性曲线Fig.4 Output characteristic curves of circular TFT with 100 μm channel width

图5 50 μm沟道宽度圆形TFT的输出特性曲线Fig.5 Output characteristic curves of circular TFT with 50 μm channel width

图6 不同沟道宽度圆形TFT的转移特性曲线Fig.6 Transfer characteristic curves of circular TFT with different channel widths

转移曲线(ISD-VGS):在不同的源漏电压VDS下,源漏电流IDS随栅压VGS的变化曲线.图6为不同沟道宽度圆形TFT的转移特性曲线,VGS为栅极电压,设置VGS的测试范围为 -20 V～30 V.

阈值电压VTH、场效应迁移率μ、开关电流比Ion/Ioff和亚阈值摆幅SS是场效应晶体管的4个基本电学参数,阈值电压VTH是指能够开启场效应晶体管的最小工作栅压VGS,可通过转移曲线获得,在IDS=0 轴上的截距为阈值电压VTH[10];场效应迁移率μ是指单位电场下载流子的漂移速度[11],它能够反映半导体在不同电场情况下电子或空穴的迁移能力,有着决定器件开关速度的重要作用[12],计算公式如下:

(1)

式中,μ为迁移率,cm2/(V·s);L为沟道宽度,nm;K为IDS1/2-VGS曲线直线部分的斜率;Ci为绝缘层单位面积的电容,F/cm2;W为沟道宽度,nm.

场效应晶体管的开关比Ion/Ioff定义为器件在开态源漏电流Ion和关态源漏电流Ioff的比值,反映了在一定的栅压范围内,器件作为开关元件性能的好坏[13];亚阈值斜率SS,mV/decade,表示场效应晶体管由关态切换到开态时电流变化的迅疾程度,能够反映器件由开态到关态所需的电压跨度[14],计算公式为:

(2)

计算结果见表1.

表1 不同沟道圆形TFT的基本参数对比Table 1 Comparison of basic parameters of circular TFT with different channels

由表1可知,通过减小圆形TFT的沟道宽度,器件开关比Ion/Ioff、迁移率μ、亚阈值摆幅SS和阈值电压VT等4个基本参数都有所改善,器件性能得到明显提升,高的开关比表明器件具有更好的稳定性、抗干扰性和更大的驱动负载能力[15],若开关比低,器件性能则相应下降.

4 结论

本文采用喷墨打印方法成功地制备出不同沟道宽度圆形电极TFT器件,实验结果表明, 器件沟道宽度越小,器件性能越优;圆形结构电极TFT器件随着沟道宽度的减小,其阈值电压减小,载流子迁移率上升,开关电流比增大.当沟道宽度为50 μm时,开关电流比约为105,阈值电压为4 V,亚阈值摆幅为4 V·dec-1,迁移率约为0.5 cm2·(V·s)-1.