金屬氧化物和有機薄膜晶體管的溶液法制備與應(yīng)用研究.pdf

1、高性能薄膜晶體管（TFT）是平板顯示產(chǎn)業(yè)中背板技術(shù)的核心部件，也是提高電子設(shè)備顯示效果、降低成本的重要環(huán)節(jié)。目前，基于硅半導(dǎo)體（無定型和多晶）的晶體管仍是商業(yè)中應(yīng)用最廣的。然而，隨著柔性、大面積、高分辨和三維顯示技術(shù)的發(fā)展，對晶體管背板的性能要求越來越高，非晶硅的低遷移率和脆性，多晶硅性能的非均一性限制了它們在這些領(lǐng)域的應(yīng)用。有機半導(dǎo)體由于具有良好的機械柔性、遷移率及原料多樣性而受到廣泛關(guān)注。另外，光學(xué)透明的金屬氧化物半導(dǎo)體由于其理想的

2、遷移率（1-100 cm2 V-1 s-1）、電學(xué)穩(wěn)定和均一性等性能優(yōu)勢并已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，是另一種備受關(guān)注的材料。然而，目前很多有機半導(dǎo)體和商業(yè)應(yīng)用的金屬氧化物薄膜的制備仍然依賴于真空制備技術(shù)，如氣相沉積、磁控濺射等，從而造成制備成本高、加工速度慢且依賴于復(fù)雜的光刻過程。因此，本論文的主要工作集中于用溶液法來實現(xiàn)低成本、高效率、大面積以及自下而上（bottom-up）的圖案化制備，從而為今后金屬氧化物和有機半導(dǎo)體的卷對卷制備工藝提供

3、研究和理論基礎(chǔ)。本論文的工作主要包括以下五個部分：
　　1、使用三種環(huán)境友好的碳水化合物（山梨糖醇，葡萄糖和蔗糖）作為高效燃料來促進銦鎵鋅氧化物（IGZO）薄膜燃燒合成從而解決溶液法低溫制備的IGZO TFTs性能差的難題。熱分析結(jié)果表明：這些碳水化合物可以顯著降低前驅(qū)體的點火溫度（~52℃），增加燃燒反應(yīng)熱焓，其值從約200 J g-1增加至470J g-1。薄膜形態(tài)和結(jié)構(gòu)表征表明：加入適量的糖和乙酰丙酮形成的協(xié)同燃燒過程并不會

4、在薄膜內(nèi)形成氣孔，且高熱焓的協(xié)同燃燒反應(yīng)可以得到更致密和更純的氧化物薄膜。器件測試結(jié)果表明：協(xié)同燃燒可以顯著提高 IGZO晶體管的性能，其電子遷移率達到8.0 cm2 V-1 s-1，同時具有很好的正偏壓穩(wěn)定性。另外，我們首次建立了前驅(qū)體的燃燒熱焓和氧化物薄膜致密化/電荷傳輸之間的線性關(guān)系。
　　2、我們選擇化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)截然不同的四種輔助燃料（尿素，甘氨酸，山梨糖醇和 L-抗壞血酸）與乙酰丙酮一起來研究燃燒反應(yīng)的協(xié)同機理。首先，

5、熱分析結(jié)果顯示四種輔助燃料都可以降低前驅(qū)體的點火溫度，其中以 L-抗壞血酸的效果最為明顯（-67℃）。同時，添加合適量的輔助燃料能夠顯著強化燃燒過程并降低殘留量（約10％）。從而促進IGZO薄膜晶格的形成與致密化，實現(xiàn)高的晶體管遷移率和良好的偏壓穩(wěn)定性。另外，通過系統(tǒng)地研究真空干燥前驅(qū)體的氫核磁共振譜、X射線衍射及其它熱分析，我們得到了輔助燃料的酸堿性、燃燒熱焓和熱穩(wěn)定性等影響燃燒反應(yīng)的主要指標(biāo)，從而為尋找更優(yōu)的協(xié)同燃料提供方向。

6、>　　3、結(jié)合噴涂技術(shù)和燃燒反應(yīng)一起（SCS），我們實現(xiàn)了可圖案化大面積制備的透明全金屬氧化物晶體管。我們使用配備了超聲波噴嘴的自動噴涂設(shè)備連續(xù)的制備了金屬氧化物電介質(zhì)、半導(dǎo)體和導(dǎo)體。其中，噴霧燃燒法制備的氧化鋯或氧化鋁電介質(zhì)具有良好的薄膜形態(tài)（均方根粗糙度0.3 nm）、低的漏電流密度（在2 MV cm-1時為10-7 A cm-2）、高的面積電容值（600 nF cm-2）和高的介電強度（9 MV cm-1）。噴霧燃燒法合成的銦錫氧

7、化物（ITO）導(dǎo)體的電導(dǎo)率約265 S cm-1，顯著高于旋涂燃燒合成的ITO導(dǎo)體（7 S cm-1）?；趪婌F燃燒法制成的銦鋅氧化物（IZO）和IGZO半導(dǎo)體晶體管在氧化鋯電介質(zhì)上的電子遷移率分別高達42.5 cm2 V-1 s-1和32.5 cm2 V-1 s-1。另外，在聚酯樹脂襯底上制備的柔性器件也具有約10 cm2 V-1 s-1的電子遷移率和良好的彎曲特性。最后，我們在玻璃上實現(xiàn)了透明的全金屬氧化物晶體管的噴霧燃燒法制備，得

8、到的器件具有約8 cm2 V-1 s-1的電子遷移率和良好的偏壓穩(wěn)定特性。
　　4、使用快速提拉法實現(xiàn)了有機半導(dǎo)體薄膜在疏水表面的選擇性生長。硅片襯底（SiO2/Si）經(jīng)疏水處理后圖案化蒸鍍親水的金電極形成具有親水和疏水圖案的SiO2/Si襯底。在提拉過程中，液膜會覆蓋金電極及其溝道區(qū)域，在溶劑蒸發(fā)即可形成覆蓋電極和溝道區(qū)域的有機薄膜。研究發(fā)現(xiàn)該有機微條帶的選址性生長依賴于襯底表面能、金電極幾何特征、溝道間距、提拉速率和溶劑蒸發(fā)環(huán)

9、境。基于以上研究，我們推斷出選擇性生長的機理，并歸因于溶液的收縮和蒸發(fā)兩種競爭行為。有趣的是，通過測試圖案化薄膜的電學(xué)性能（底接觸晶體管），我們得到了2.0×10-3 cm2 V-1 s-1的空穴遷移率，而沒有經(jīng)過疏水處理的底接觸晶體管卻沒有場效應(yīng)特性。本章提出的可靠、快速且基于溶液法的自下而上的圖案化技術(shù)為今后大規(guī)模低成本制備提供了一個可行的方法。
　　5、制備了基于選擇性生長的有機薄膜晶體管氨氣傳感器。我們對比了直接提拉和圖案