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1、近年來(lái),紙張薄膜晶體管(TFT)引起了越來(lái)越多的研究興趣,因其成本低廉、可再生、便于攜帶和大規(guī)模生產(chǎn)等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于電子紙、商品標(biāo)簽、柔性顯示等領(lǐng)域。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外研究的常規(guī)紙張薄膜晶體管受限于紙張表面的粗糙度、工藝溫度不能太高等因素而面臨重重困難。在一般的文獻(xiàn)報(bào)道中,紙張薄膜晶體管的工作電壓過高,基本上達(dá)到10V以上,這也不利于紙張薄膜晶體管的實(shí)際應(yīng)用。在本論文中,我們針對(duì)以上這些問題,提出并實(shí)驗(yàn)了相應(yīng)的解決辦法,制備出性能良好的紙張
2、薄膜晶體管。具體工作細(xì)節(jié)如下:
(1)使用離子增強(qiáng)型化學(xué)氣象沉積系統(tǒng)(PECVD)生長(zhǎng)的二氧化硅(SiO2)薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的雙電層效應(yīng),其物理厚度達(dá)到4~8μm,而其等效厚度只有~1nm,該柵介質(zhì)的單位電容可高達(dá)1.0μF/cm2以上。為了加強(qiáng)柵介質(zhì)的雙電層效應(yīng),我們對(duì)SiO2進(jìn)行離子溶液的浸泡,使Ca2+、K+、Na+等進(jìn)入二氧化硅膜層,在外加電場(chǎng)的作用下隨之遷移,從而達(dá)到增強(qiáng)柵介質(zhì)雙電層效應(yīng),優(yōu)化器件的飽和遷移率、亞閾
3、值斜率、電流開關(guān)比、器件工作電壓等電學(xué)性能的目的。采用Ca2+離子溶液浸泡的二氧化硅薄膜作為柵介質(zhì)的TFT,得到的單位電容為4.2μF/cm2,電子遷移率為13 cm2/Vs,電流開關(guān)比1.0×106,亞閾值斜率為80 mV/decade。經(jīng)過Na+離子浸泡過的SiO2作為柵介質(zhì)的TFT,同樣表現(xiàn)出優(yōu)異的器件性能,柵介質(zhì)的單位電容達(dá)到4.7μF/cm2,遷移率高達(dá)42.8 cm2/Vs,開關(guān)電流比>l.0×l06,亞閾值斜率低至90 m
4、V/decade。
(2)在薄膜晶體管的柵介質(zhì)選材方面,我們不止研究了無(wú)機(jī)材料,比如二氧化硅,有機(jī)材料同樣是我們的研究范圍。用溶膠凝膠法制備的殼聚糖膜層同樣表現(xiàn)出良好的雙電層效應(yīng)。該柵介質(zhì)制備方法簡(jiǎn)單,原料成本低廉,無(wú)毒無(wú)害,適用于大規(guī)模生產(chǎn)。采用旋涂法制備得到的殼聚糖薄膜表面光滑均勻,膜層清晰,與襯底黏著性好,其單位電容同樣可達(dá)到1.0μF/cm2以上。為了進(jìn)一步提高TFT的器件性能,我們嘗試了雙層?xùn)沤橘|(zhì)的制備方法,在S
5、iO2膜的上面制備殼聚糖薄膜,共同作為TFT的柵介質(zhì),得到了良好的器件性能,高達(dá)7.8 cm2/Vs的電子遷移率,7.8×105的電流開關(guān)比,亞閾值斜率為100 mV/decade。
(3)針對(duì)紙張表面粗糙度影響薄膜晶體管器件性能這一問題,國(guó)內(nèi)外很多科研小組作了相關(guān)研究,有人提出用有機(jī)物旋涂法對(duì)紙張表面進(jìn)行平坦化處理。我們課題組采用PECVD沉積SiO2、 SiN等無(wú)機(jī)物處理紙張表面的方法,經(jīng)過掃描電子顯微鏡觀察對(duì)比,紙張
6、表面粗糙度明顯下降,相應(yīng)的薄膜晶體管性能也得到了明顯提高。采用離子增強(qiáng)型化學(xué)氣象沉積法沉積二氧化硅等物質(zhì)作為紙張表面的平坦層具有可大規(guī)模生產(chǎn)、成本低、可控性強(qiáng)都優(yōu)點(diǎn)。利用SiO2作為鈍化層制備的TFT具有14.6 cm2/Vs的飽和電子遷移率,100 mV/decade的亞閾值斜率,電流開關(guān)比達(dá)到1.5×106。
(4)在用射頻磁控濺射制備TFT溝道層的時(shí)候,我們發(fā)現(xiàn)由于掩膜版與樣品之間有一定的空隙,所以會(huì)造成繞射現(xiàn)象的發(fā)
7、生?;谶@一現(xiàn)象,我們成功制備出自組裝薄膜晶體管,從而精簡(jiǎn)了TFT的制備工藝,降低了TFT的制備成本,并得到性能優(yōu)良的薄膜晶體管。器件的開關(guān)電流比達(dá)到107,亞閾值斜率為~70 mV/decade,器件的工作電壓<1.5 V。自組裝溝道制備的TFT進(jìn)一步簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)TFT的制備工藝,在低成本高性能電子產(chǎn)品領(lǐng)域有很高的研究和應(yīng)用價(jià)值。
(5)基于自組裝溝道的制備工藝,我們課題組制備出單側(cè)柵和雙側(cè)柵TFT,該工藝是在制備TFT源
8、漏電極時(shí)同時(shí)形成側(cè)柵。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,用該工藝制備的紙張薄膜晶體管表現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能。亞閾值斜率達(dá)到80 mV/decade,電流開關(guān)比4×106,飽和電子遷移率為10 cm2/Vs。我們還發(fā)現(xiàn),改變雙側(cè)柵薄膜晶體管的第二個(gè)柵極所加的電壓,可以有效控制TFT的閾值電壓的偏移。測(cè)試結(jié)果顯示,當(dāng)?shù)诙€(gè)柵壓從2.0 V逐步減少到-2.0 V時(shí),該TFT的閾值電壓會(huì)隨之從-0.14 V逐步增大到1.15V。如果在兩個(gè)柵極上加入有規(guī)律的脈沖電壓,
9、測(cè)試結(jié)果顯示,該TFT的輸出電流表現(xiàn)出或門的邏輯功能。這為該種TFT在電子電路方面的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
(6)通過對(duì)自組裝工藝的進(jìn)一步研究,隨著電極膜層厚度的適當(dāng)減小,我們制備出無(wú)結(jié)TFT,這種TFT的源漏電極和溝道層的材料和尺寸完全一樣。電流開關(guān)比達(dá)到5.8×106,亞閾值斜率為0.12 V/decade。跟普通TFT類似,這種結(jié)構(gòu)同樣適用于單側(cè)柵和雙側(cè)柵TFT的制備。當(dāng)?shù)诙€(gè)柵壓從2.0 V逐步減少到-2.0 V時(shí)
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