低電壓氧化物基紙張雙電層薄膜晶體管.pdf

1、近年來，紙張薄膜晶體管(TFT)引起了越來越多的研究興趣，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。在一般的文獻報道中，紙張薄膜晶體管的工作電壓過高，基本上達到10V以上，這也不利于紙張薄膜晶體管的實際應(yīng)用。在本論文中，我們針對以上這些問題，提出并實驗了相應(yīng)的解決辦法，制備出性能良好的紙張

2、薄膜晶體管。具體工作細節(jié)如下:
　　 (1)使用離子增強型化學(xué)氣象沉積系統(tǒng)(PECVD)生長的二氧化硅(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1.0μF/cm2以上。為了加強柵介質(zhì)的雙電層效應(yīng)，我們對SiO2進行離子溶液的浸泡，使Ca2+、K+、Na+等進入二氧化硅膜層，在外加電場的作用下隨之遷移，從而達到增強柵介質(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)的單位電容達到4.7μF/cm2，遷移率高達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，我們不止研究了無機材料，比如二氧化硅，有機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)制備方法簡單，原料成本低廉，無毒無害，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到1.0μF/cm2以上。為了進一步提高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)針對紙張表面粗糙度影響薄膜晶體管器件性能這一問題，國內(nèi)外很多科研小組作了相關(guān)研究，有人提出用有機物旋涂法對紙張表面進行平坦化處理。我們課題組采用PECVD沉積SiO2、 SiN等無機物處理紙張表面的方法，經(jīng)過掃描電子顯微鏡觀察對比，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、可控性強都優(yōu)點。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)比達到1.5×106。
　　 (4)在用射頻磁控濺射制備TFT溝道層的時候，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進一步簡化了傳統(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、漏電極時同時形成側(cè)柵。實驗結(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柵極所加的電壓，可以有效控制TFT的閾值電壓的偏移。測試結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)诙€柵壓從2.0 V逐步減少到-2.0 V時，該TFT的閾值電壓會隨之從-0.14 V逐步增大到1.15V。如果在兩個柵極上加入有規(guī)律的脈沖電壓，

9、測試結(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)用打下了堅實的基礎(chǔ)。
　　 (6)通過對自組裝工藝的進一步研究，隨著電極膜層厚度的適當(dāng)減小，我們制備出無結(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€柵壓從2.0 V逐步減少到-2.0 V時