“咖啡环”效应:提升全印刷氧化物薄膜晶体管性能

 

Fully Printed High-Performance n-Type Metal Oxide Thin-Film Transistors Utilizing Coffee-Ring Effect
Kun Liang, Dingwei Li, Huihui Ren, Momo Zhao, Hong Wang, Mengfan Ding, Guangwei Xu, Xiaolong Zhao, Shibing Long, Siyuan Zhu, Pei Sheng, Wenbin Li, Xiao Lin, Bowen Zhu*

Nano-Micro Letters (2021)13: 164

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00694-4

本文亮点

1实现了以氧化铟锡(ITO)作为半导体沟道和电极的全印刷高性能薄膜晶体管

2. 利用X射线光电子能谱分析深入探究氧化物半导体/介质层界面性质

3. 基于ITO薄膜晶体管的全印刷NMOS反相器在3 V的工作电压下具有高达181的电压增益

内容简介

喷墨印刷(Inkjet-printing)是一种非真空、非接触式、低成本、无掩膜的图案化薄膜沉积技术,虽然其精度不如传统微纳加工(如光刻),但它用料少、成本低、加工步骤简单,是传统微纳加工技术的重要补充,具有柔性、大尺寸、和大规模电子器件快速制造的潜力。

通常,在喷墨印刷过程中,“咖啡环”效应是不受欢迎的,因为它不仅影响打印薄膜的均匀性,而且会损坏器件的电学性能。迄今为止,研究者一直在努力抑制咖啡环结构的形成,以获得更好的薄膜均匀性。但结果却收效甚微,大多数全印刷的金属氧化物薄膜晶体管的迁移率相对较低(0.04-12.9 cm² V⁻¹ s⁻¹),限制了其在显示驱动和逻辑电路中的应用。

当不小心将一滴咖啡、牛奶或者茶水滴落到桌面时,你大概会留意桌面上的污渍的颜色是不均匀的(图1),这是由于其颗粒物溶质在污渍边缘部分堆积要比中间更多一些,形成环状斑的现象,这种不均匀沉积的现象被称作“咖啡环”效应(coffee-ring effect),主要是受液滴蒸发过程中溶质固体颗粒外形、表面张力、以及对流等因素所影响。

图1. 咖啡滴干燥后留下的环状污渍。

西湖大学工学院朱博文课题组提出了一种全新的打印方法,利用 “咖啡环”效应,直接在打印的咖啡环结构上集成了氧化铟锡半导体薄膜晶体管(ITO TFT),实现了高性能薄膜晶体管和逻辑反相器(NMOS inverter),此项工作解决了基于溶液法的喷墨打印技术的难点,在大面积、低成本电子器件和电路中的应用展示了巨大的潜力。

图文导读

I 利用而非抑制“咖啡环”效应

将打印的ITO“咖啡环”薄膜中间超薄部分(~10 nm)作为优异的半导体通道,而边缘较厚的ITO可以作为源/漏(S/D)电极的一部分,实现了高性能氧化物TFTs的全印刷制备和应用。按照图示(图2)的制备工艺,逐步在玻璃基底上打印底栅、顶接触结构薄膜晶体管。其中ITO既作为载流子传输通道又作为接触电极,Al₂O₃为栅介质层,整个打印过程在普通实验室环境中进行,每个功能层打印后进行350 °C的热退火固化。

图2. 全喷墨印刷ITOTFTs工艺流程。

II 器件结构与电学性能表征

透射电子显微镜(TEM)图像清晰地展示了全打印ITO TFT中Al₂O₃缓冲层、ITO栅极层、Al₂O₃介电层和ITO沟道层的层状结构。印刷的ITO薄膜表面轮廓图呈现出典型的咖啡环结构,中间区域较薄,边缘相对较厚。在玻璃上全喷墨打印的TFT阵列在可见光区中显示出接近90%的高光学透明度,并且具有优异的电学性能,高达34.9 cm² V⁻¹ s⁻¹的饱和迁移率(μsat),较低的开启电压(Von=−0.09 V)和亚阈值摆幅(SS=105 mV/dec),良好的电流开关比(Ion/off=10⁵),以及较低的工作电压范围(<2 V)(图3)。

图3. 全打印ITO TFTs的器件结构与电学性能。

III 半导体/介质界面分析

进一步通过X射线光电子能谱分析,得出ITO/Al₂O₃异质结的能带结构图(图4)。其中,界面处能带向下弯曲形成一个二维势阱,可以吸引和限制界面的自由电子,这是全印刷ITO薄膜晶体管具有优异电学性能的重要原因之一。

图4. ITO/Al₂O₃界面能带分析。

IV 全打印TFTs的应用

为了探索全印刷ITO TFT的潜在应用,研究团队又构建了NMOS反相器,该反相器使用两个印刷的ITO TFT,通过印刷银电极连接。顶部TFT作为耗尽负载,以限制流过底部的驱动TFT的电流。当输入电压(Vin)低于阈值电压(逻辑“0”)时,输出电压(Vout)等于VDD(逻辑“1”)。当Vin超过阈值电压(逻辑“1”)时,Vout突然下降到~0 V(逻辑“0”),表明由于ITO TFT的高迁移率和大的开启电流,驱动器TFT处于接近短路状态。这意味着负载和驱动TFTs在反相器中表现出良好的通断行为。此NMOS反相器的最大传输增益达到181 (VDD=3 V),性能优于之前报道的其他溶液法的金属氧化物TFTs(图5),有望在柔性电子器件和电路中得到应用。

图5. 基于ITO TFTs的全喷墨印刷的NMOS逻辑反相器。

作者简介

梁坤

本文第一作者

西湖大学 博士研究生

主要研究领域

喷墨印刷金属氧化物薄膜晶体管及其在逻辑电路和光电传感领域的应用。

朱博文

本文通讯作者

西湖大学 特聘研究员

主要研究领域

柔性电子材料与器件。

主要研究成果

近年来在柔性压力传感器、氧化物薄膜晶体管等方面取得过一些创新性研究成果。曾主持澳大利亚Australia Research Council的Discovery Early Career Researcher Award (DECRA)项目(2017-2019)。获得国家及浙江省海外高层次人才青年项目、以及浙江省“钱江人才计划”支持。目前发表SCI收录论文50余篇,获引用4000余次。

Email: zhubowen@westlake.edu.cn

课题组主页

https://tft-westlake.com/
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