《Scientific Reports》：用于底柵薄膜晶體管的帶有印刷銀源極和漏極電極的溶液基銦鎵鋅氧化物半導(dǎo)體的光子燒結(jié)（IF=4.652）

背景：

本研究開(kāi)發(fā)了一種用于高性能全印刷無(wú)機(jī)薄膜晶體管(TFT)的印刷多層銦鎵鋅氧化物(IGZO)和銀(Ag)電極結(jié)構(gòu)的強(qiáng)脈沖光(IPL)退火工藝。通過(guò)使用IGZO前體和銀墨水的溶液工藝，制造了底柵結(jié)構(gòu)TFT。使用旋涂法在覆蓋有熱生長(zhǎng)二氧化硅的重?fù)诫s硅晶片上形成IGZO半導(dǎo)體層。IGZO層的退火工藝采用了優(yōu)化的IPL輻照工藝。通過(guò)絲網(wǎng)印刷將銀墨水印刷在IGZO層上以形成源極和漏極(S/D)圖案。通過(guò)近紅外輻射(NIR)干燥該S/D圖案，然后通過(guò)改變輻照能量用強(qiáng)脈沖光燒結(jié)干燥的S/D圖案。采用參數(shù)分析儀測(cè)量全印刷TFT的性能，例如場(chǎng)效應(yīng)遷移率和開(kāi)/關(guān)比電傳輸特性。界面分析包括接觸電阻和橫截面微結(jié)構(gòu)分析，這是必不可少的，因?yàn)樵谕嘶鸷蜔Y(jié)過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象。因此，該TFT器件表現(xiàn)出了值得注意的性能（場(chǎng)效應(yīng)遷移率：7.96cm2/Vs，開(kāi)/關(guān)比：107）。這與傳統(tǒng)TFT的性能相似，有望在印刷金屬氧化物TFT領(lǐng)域開(kāi)辟一條新道路。

文獻(xiàn)介紹：

柔性可折疊顯示屏是下一代顯示屏，同時(shí)也需要高質(zhì)量的可視化效果。在這一趨勢(shì)下，薄膜晶體管(TFT)的半導(dǎo)體材料（例如Si基化合物）已被氧化物半導(dǎo)體（例如銦鎵鋅氧化物(IGZO)）所取代。IGZO因其光學(xué)透明性、高電子遷移率、大氣穩(wěn)定性和機(jī)械靈活性，作為下一代TFT的通道層而備受關(guān)注。通常，光刻已用于制造TFT中的IGZO，其涉及復(fù)雜的沉積、曝光和蝕刻工藝，導(dǎo)致工藝成本高。為了提高工藝效率并降低制造成本，最近開(kāi)發(fā)了一種結(jié)合印刷技術(shù)的溶液處理IGZO，它可以在室溫和大氣壓下無(wú)需光刻即可形成半導(dǎo)體薄膜。通過(guò)退火工藝的開(kāi)發(fā)和材料方面的突破，溶液處理IGZO的性能和工藝效率得到了提高，與沉積IGZO相當(dāng)。然而，在TFT制造過(guò)程中，仍然采用沉積工藝來(lái)形成電極和電介質(zhì)等材料。因此，整個(gè)工藝的效率尚未提高。

在過(guò)去十年中，印刷電子技術(shù)得到了迅速發(fā)展，利用印刷技術(shù)無(wú)需光刻工藝即可形成具有各種納米墨水材料的電極。通過(guò)印刷電子技術(shù)，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的印刷和燒結(jié)工藝制造電極，近年來(lái)推出了各種印刷型設(shè)備。各種金屬材料已用于基于IGZO的TFT，并評(píng)估了TFT性能與金屬電極之間的相關(guān)性。就鉬和鈦而言，由于它們與IGZO的接觸電阻低，因此可以提高TFT性能，但由于納米顆粒在大氣條件下的氧化現(xiàn)象難以處理，因此很少用作墨水材料。另一方面，銀（Ag）因其抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性而成為印刷電子中最先進(jìn)的電極材料。Y.Ueoka報(bào)告稱(chēng)，Ag可在特定驅(qū)動(dòng)范圍內(nèi)用作基于IGZO的TFT的電極。但是，由于印刷Ag電極的燒結(jié)需要對(duì)Ag電極和IGZO層加熱，因此Ag墨水中的幾種添加劑會(huì)降低TFT性能，因?yàn)?/span>IGZO通道會(huì)被它們污染。為了減少這些界面反應(yīng)，在IGZO通道和電極之間采用了中間層。但是，由于中間層的燒結(jié)過(guò)程不僅需要加熱過(guò)程，還需要較長(zhǎng)的處理時(shí)間，因此效率低下。為了使印刷電子在TFT制造中得到更有效的利用，需要對(duì)燒結(jié)或退火工藝進(jìn)行一些創(chuàng)新性變革。為了解決燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，人們開(kāi)發(fā)了強(qiáng)脈沖光(IPL)燒結(jié)技術(shù)，在室溫等環(huán)境條件下短時(shí)間內(nèi)選擇性加熱納米材料（如金屬電極和薄膜）。使用IPL燒結(jié)技術(shù)，可以在短時(shí)間內(nèi)有效地對(duì)氧化物半導(dǎo)體層以及金屬電極進(jìn)行退火。然而，據(jù)我們所知，IPL燒結(jié)的金屬電極尚未成功用于TFT的IGZO，而沉積的Al電極則用于IPL退火的IGZO層。這可能是因?yàn)橹暗拇蠖鄶?shù)研究只關(guān)注每個(gè)單層IGZO或電極的退火。尚未研究使用IPL同時(shí)對(duì)半導(dǎo)體層和金屬電極進(jìn)行退火和燒結(jié)，這可能為TFT制造工藝提供一種創(chuàng)新技術(shù)。

因此，本研究開(kāi)發(fā)了一種由印刷IGZO和印刷Ag電極組成的印刷多層IPL退火工藝，并結(jié)合深紫外(DUV)和近紅外(NIR)干燥，用于高性能TFT。通過(guò)旋涂將IGZO前體涂覆在覆蓋有熱生長(zhǎng)二氧化硅的重?fù)诫s硅晶片上，然后進(jìn)行IPL退火，并結(jié)合深紫外和NIR干燥。在IPL退火的IGZO層上絲網(wǎng)印刷Ag源/漏(S/D)電極，并通過(guò)強(qiáng)脈沖光燒結(jié)，同時(shí)改變輻照能量。

本研究采用溶液處理的IGZO和印刷Ag電極，無(wú)需熱處理和沉積方法，實(shí)現(xiàn)了TFT的全印刷和IPL退火工藝。全印刷和IPL退火TFT可實(shí)現(xiàn)7.96cm2/V·s的高遷移率和107的開(kāi)/關(guān)比，與基于沉積電極的TFT相當(dāng)?？紤]到Ag電極在IGZO上的熱燒結(jié)，得出結(jié)論，由于燒結(jié)過(guò)程中碳的擴(kuò)散，無(wú)法開(kāi)發(fā)熱燒結(jié)Ag電極基TFT。發(fā)現(xiàn)IPL退火方法不僅適用于IGZO退火，也適用于TFT結(jié)構(gòu)上電極的燒結(jié)。此外，全IPL退火工藝能夠形成結(jié)構(gòu)化學(xué)和電學(xué)穩(wěn)定的電極和IGZO以及它們的界面，從而實(shí)現(xiàn)高性能TFT。通過(guò)全IPL印刷退火工藝，可以在室溫下快速制備全印刷無(wú)機(jī)TFT，有望在IGZO-TFT領(lǐng)域開(kāi)辟一條新路。

引用：https://doi.org/10.1038/s41598-024-52096-2 

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