《Scientific Reports》：用于底栅薄膜晶体管的带有印刷银源极和漏极电极的溶液基铟镓锌氧化物半导体的光子烧结（IF=4.652）

发布日期：2024-11-30浏览次数：350

背景：

本研究开发了一种用于高性能全印刷无机薄膜晶体管(TFT)的印刷多层铟镓锌氧化物(IGZO)和银(Ag)电极结构的强脉冲光(IPL)退火工艺。通过使用IGZO前体和银墨水的溶液工艺，制造了底栅结构TFT。使用旋涂法在覆盖有热生长二氧化硅的重掺杂硅晶片上形成IGZO半导体层。IGZO层的退火工艺采用了优化的IPL辐照工艺。通过丝网印刷将银墨水印刷在IGZO层上以形成源极和漏极(S/D)图案。通过近红外辐射(NIR)干燥该S/D图案，然后通过改变辐照能量用强脉冲光烧结干燥的S/D图案。采用参数分析仪测量全印刷TFT的性能，例如场效应迁移率和开/关比电传输特性。界面分析包括接触电阻和横截面微结构分析，这是必不可少的，因为在退火和烧结过程中可能会发生扩散现象。因此，该TFT器件表现出了值得注意的性能（场效应迁移率：7.96cm2/Vs，开/关比：107）。这与传统TFT的性能相似，有望在印刷金属氧化物TFT领域开辟一条新道路。

文献介绍：

柔性可折叠显示屏是下一代显示屏，同时也需要高质量的可视化效果。在这一趋势下，薄膜晶体管(TFT)的半导体材料（例如Si基化合物）已被氧化物半导体（例如铟镓锌氧化物(IGZO)）所取代。IGZO因其光学透明性、高电子迁移率、大气稳定性和机械灵活性，作为下一代TFT的通道层而备受关注。通常，光刻已用于制造TFT中的IGZO，其涉及复杂的沉积、曝光和蚀刻工艺，导致工艺成本高。为了提高工艺效率并降低制造成本，最近开发了一种结合印刷技术的溶液处理IGZO，它可以在室温和大气压下无需光刻即可形成半导体薄膜。通过退火工艺的开发和材料方面的突破，溶液处理IGZO的性能和工艺效率得到了提高，与沉积IGZO相当。然而，在TFT制造过程中，仍然采用沉积工艺来形成电极和电介质等材料。因此，整个工艺的效率尚未提高。

在过去十年中，印刷电子技术得到了迅速发展，利用印刷技术无需光刻工艺即可形成具有各种纳米墨水材料的电极。通过印刷电子技术，可以通过简单的印刷和烧结工艺制造电极，近年来推出了各种印刷型设备。各种金属材料已用于基于IGZO的TFT，并评估了TFT性能与金属电极之间的相关性。就钼和钛而言，由于它们与IGZO的接触电阻低，因此可以提高TFT性能，但由于纳米颗粒在大气条件下的氧化现象难以处理，因此很少用作墨水材料。另一方面，银（Ag）因其抗氧化性和化学稳定性而成为印刷电子中最先进的电极材料。Y.Ueoka报告称，Ag可在特定驱动范围内用作基于IGZO的TFT的电极。但是，由于印刷Ag电极的烧结需要对Ag电极和IGZO层加热，因此Ag墨水中的几种添加剂会降低TFT性能，因为IGZO通道会被它们污染。为了减少这些界面反应，在IGZO通道和电极之间采用了中间层。但是，由于中间层的烧结过程不仅需要加热过程，还需要较长的处理时间，因此效率低下。为了使印刷电子在TFT制造中得到更有效的利用，需要对烧结或退火工艺进行一些创新性变革。为了解决烧结时间长的问题，人们开发了强脉冲光(IPL)烧结技术，在室温等环境条件下短时间内选择性加热纳米材料（如金属电极和薄膜）。使用IPL烧结技术，可以在短时间内有效地对氧化物半导体层以及金属电极进行退火。然而，据我们所知，IPL烧结的金属电极尚未成功用于TFT的IGZO，而沉积的Al电极则用于IPL退火的IGZO层。这可能是因为之前的大多数研究只关注每个单层IGZO或电极的退火。尚未研究使用IPL同时对半导体层和金属电极进行退火和烧结，这可能为TFT制造工艺提供一种创新技术。

因此，本研究开发了一种由印刷IGZO和印刷Ag电极组成的印刷多层IPL退火工艺，并结合深紫外(DUV)和近红外(NIR)干燥，用于高性能TFT。通过旋涂将IGZO前体涂覆在覆盖有热生长二氧化硅的重掺杂硅晶片上，然后进行IPL退火，并结合深紫外和NIR干燥。在IPL退火的IGZO层上丝网印刷Ag源/漏(S/D)电极，并通过强脉冲光烧结，同时改变辐照能量。

本研究采用溶液处理的IGZO和印刷Ag电极，无需热处理和沉积方法，实现了TFT的全印刷和IPL退火工艺。全印刷和IPL退火TFT可实现7.96cm2/V·s的高迁移率和107的开/关比，与基于沉积电极的TFT相当。考虑到Ag电极在IGZO上的热烧结，得出结论，由于烧结过程中碳的扩散，无法开发热烧结Ag电极基TFT。发现IPL退火方法不仅适用于IGZO退火，也适用于TFT结构上电极的烧结。此外，全IPL退火工艺能够形成结构化学和电学稳定的电极和IGZO以及它们的界面，从而实现高性能TFT。通过全IPL印刷退火工艺，可以在室温下快速制备全印刷无机TFT，有望在IGZO-TFT领域开辟一条新路。