背景：

本研究開發(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/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/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，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/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)域開辟一條新路。

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

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