基于喷墨打印氧化锌锡和不同有机电介质的混合顶栅晶体管外文翻译资料

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应用物理快报 112053503（2018）

基于喷墨打印氧化锌锡和不同有机电介质的混合顶栅晶体管

Benedikt Sykoraa）和Heinz von Seggern

德国达姆施塔特理工大学材料科学研究所，邮编：64287

（2017年10月12日收到；2018年1月19日接受；2018年1月31日在线发布）

我们报告了基于喷墨印刷氧化锌锡（ZTO）和不同自旋涂层有机电介质的混合顶栅晶体管。采用极性介质聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和非极性聚苯乙烯（PS）对晶体管进行了评价。通过应用PMMA，我们能够处理饱和迁移率高达4.3cm2v1s1的场效应晶体管。这是使用自旋涂层PMMA电介质的喷墨打印ZTO顶栅晶体管报告的最高移动性。该晶体管还具有1.7V的小阈值电压和超过105的开/关电流比。使用PS作为另一种有机介质会导致性能较差的功能性器件，这意味着0.2cm2v1s1的饱和迁移率和9.7V的阈值电压。与PS介质相比，PMMA的极性更强，从而在亲水性较强的ZTO表面上产生更好的粘附力，这可以解释改进器件的性能。使用PMMA的ZTO顶栅晶体管的性能。由AIP出版社出版。

场效应晶体管有两种不同的基本布局。它们可以通过栅极电极在底部或顶部栅极配置中的位置来区分。底栅布局主要用于非晶态硅的应用，由于其易于加工和良好的电气性能。它也是显示应用的标准布局，因为栅电极同时保护半导体不受背光的影响。TFT中的多晶硅通常采用顶栅结构进行加工，因为加工硅需要高温，这可能会影响下层。这种布局还可以防止半导体与空气接触。在非晶态氧化物半导体（AOSS）的情况下，大多数组使用SiO22–4或Al2O3或ZrO2等高k材料作为介电体来工作底栅晶体管。这些介电体的缺点是，大多数时候它们都是使用诸如溅射、化学等要求严格的真空过程来处理的。

选择AOS材料氧化锌锡（ZTO）是因为它是一种铟含量较少的低成本高效材料。与其他AOS材料一样，它可以通过喷墨打印来应用。本作者以前的出版物报道了前体溶液的生产和纳米晶体的研究。得到的ZTO薄膜的东北相。为了获得均匀致密的半导体薄膜，在每一印刷步骤后并退火四层印刷。如上述出版物所述，这种多层方法可显著提高晶体管的性能。在文献中，在顶栅方法中，AOS与有机电介质的结合很少。

基于自旋涂层氧化铟锌（IZO）和不同有机电介质的加工顶栅晶体管。它们的晶体管显示出良好的器件性能，但包括限制AOS面积的额外图形化步骤。2012年，Yue等人经处理的掺镧自旋涂层ZTO顶栅晶体管与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）介质相结合。它们获得了高达3.1cm2V-1s-1的迁移率值，但需要9%的稀土金属掺杂。没有掺杂，他们的ZTO晶体管没有显示任何关闭状态。优先采用不含稀土元素的未掺杂ZTO层。此外，喷墨打印工艺将是有益的，因为不需要额外的后处理步骤，如图案或照片光刻。本文从极性的角度，即聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚苯乙烯（PS），报道了基于不同有机电介质的喷墨打印ZTO顶栅晶体管。

在讨论所使用的加工顶栅晶体管的布局之前，介绍了两种研究的有机介电聚合物。对于PMMA，颗粒从Evonik Performance Materials GmbH购买。对于PS，材料从巴斯夫SE购买。每一种聚合物在从Sigmaldrich购买的乙酸正丁酯（H3C-CO-O-C4H9）中溶解成10 wt%的溶液。所有溶液在70℃下在手套箱中搅拌至少15小时。然后，使用0.2lm聚四氟乙烯（PTFE）过滤器对其进行过滤，并在相同环境条件下搅拌，直到用于制造装置。分别在3000转/分和4000转/分的空气中旋转30秒，得到PMMA和PS薄膜。将湿膜在110℃下在空气中的热板上干燥10分钟，所得膜的层厚为570 nm（PMMA）和630 nm（PS）。本出版物中的所有厚度值均使用Bruker Dektak XT通过轮廓测量法测定。图1显示了两种不同有机电介质的化学结构。

图一 聚甲基丙烯酸甲酯（a）和聚苯乙烯（b）的化学结构。

1.1毫米厚玻璃基板上的100纳米厚ITO，购自Visiontek系统有限公司（英国切斯特），用作制造交错顶栅晶体管的基础。这些基板被图案化，以便使用光刻处理来定义ITO接触垫[在图2（a）中指出，而不是在图2（b）中指出]。在将带有ITO接触垫的玻璃基板转移到蒸发室之前，用5vol.%去离子剂、丙酮和丙二醇分别对其进行15分钟的超声波清洗，在该蒸发室中，通过标准的PVD工艺在压力小于106 mbar的特高压室中应用20nm厚的金源和排水结构。产生的金源/漏触点的通道长度为l=54微米，通道宽度为w=1520微米。使用贵金属金是因为它不氧化，对酸性前体溶液稳定。此外，在500℃的退火过程中，不会改变小的源/漏金电极。根据Sykora等人的规定，使用浓度为0.1mol/L的前体溶液通过喷墨打印和退火处理四层ZTO后，如上文所述应用有机电介质。最后，用40nm厚的金栅电极进行热蒸发，得到了顶栅器件。使用半导体参数分析仪HP 4155A在手套箱中测量顶栅晶体管的iv曲线。这种交错顶栅晶体管的示意横截面图如图2（a）所示，通道区域的俯视图如图2（b）所示。

图二.所用交错顶部闸门布局的横截面示意图（a）。带有三个电极标签的通道区域的俯视图（b）。

在给出晶体管结果之前，研究了两种自旋涂层有机电介质的面积电容和介电常数。阻抗谱测量在金属绝缘体金属（MIM）二极管的手套箱中进行。

图3的插图所示，使用阻抗分析仪solartron si 1260结合solartron 1296介电界面。用轮廓仪测量PMMA和PS层的厚度分别为625nm和740nm。两个二极管如下

由625nm厚的PMMA和740nm厚的PS金属绝缘体金属（MIM）二极管（如插图所示）测量的频率相关区域电容C的真实部分。虚线突出显示了用于计算介电常数的100Hz频率。面积为0.09cm2。通过应用方程式和的值，图3 100Hz下的面积电容值c（PMMA为5.1 nF/cm2，PS为3.3 nF/cm2）和厚度d，可以分别确定PMMA和PS的介电常数为3.59和2.75。这些值接近文献中报道的PMMA和PS的介电常数。首先，给出并讨论了以PMMA为介电层的顶栅晶体管的结果。

图四 以四层印刷层和厚的自旋涂覆层为基础的顶栅晶体管的转移特性。

图4显示了晶体管的不同的开-关状态。通断电流比和40V下的阈下摆幅分别为6.1*10^5和1.87V/十年。在图4中箭头所示的不同扫描方向上，传输特性表现出较小的滞后。磁滞是半导体/介质界面上电子陷阱状态的结果。此外，栅漏电流非常小，小于1na。利用补充材料的图s1（a）所示的sqrt图中的线性拟合，得到了4.3cm-2v1s-1的饱和迁移率。1.7V的阈值电压很小。 以四个连续印刷的ZTO层和570nm厚的自旋涂层PMMA层为基础的顶栅晶体管的半对数图表示的传输特性。漏电流显示为实线，栅电流显示为虚线。输出特性显示出明显的场效应，但没有理想的饱和行为。栅漏电流与所提出的传输特性相似，其值小于1na。此外，输出特性显示，在vd=0V时没有接触电阻。Vds=vgs=40V时的最大电流达到555 La。在图6中，给出了采用ps作为有机介质的顶栅晶体管的传输特性。晶体管基于四个印刷ZTO层和一个630nm厚的自旋涂层PS层，饱和迁移率计算为0.2cm2v-1s-1，阈值电压确定为9.7V，源漏电压为40V，如补充材料的图s1（b）所示。阈值电压在可接受的范围内，但饱和迁移率很小，特别是与具有类似厚度的PMMA介电层的晶体管相比，如图4所示。尽管与使用PMMA的顶栅晶体管相比，关断电流较小，但由于通电电流较小，开/关电流比（1:1104）小于PMMA晶体管。亚阈值摆动7.17V/十年远大于PMMA晶体管的值。此外，这种晶体管显示滞后，但它比PMMA晶体管小。

图五 基于四个印刷ZTO层和570nm厚自旋涂层PMMA层的顶栅晶体管的输出特性。漏极电流ID显示为实线，相应的栅极电流IG显示为虚线。

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图六 以四个印刷ZTO层和一个630nm厚的自旋涂层PS层为基础的上栅极晶体管的半对数图为转移特性。

基于四个印刷ZTO层和570nm厚自旋涂层PMMA层的顶栅晶体管的输出特性。漏极电流ID显示为实线，相应的栅极电流ig显示为虚线。图6。传输特性为基于四个印刷ZTO层和一个630nm厚的自旋涂层PS层的顶栅晶体管的半对数图。显示为虚线的漏电流很小，最大值为1.7na。该晶体管的输出特性如图7所示。输出特性不显示明显的饱和行为，而是显示出明显的场效应。闸极漏电流显示不超过8na的小值。Vds=Vgs=40V下的最大漏电流值几乎比PMMA晶体管的最大漏电流小两个数量级。表1总结了两种有机介质材料（PMMA和PS）的顶栅晶体管获得的特性参数。PMMA晶体管显示了所有T中的最佳值。变压器参数。值得注意的是，值为4.3cm2v-1s-1的饱和迁移率是PS晶体管迁移率的20倍以上。PMMA晶体管的该值比Yue等人报告的值高1.2cm2v-1s-1。1.7V的阈值电压明显较小，与上述出版物中报告的值相似。555 纳安的Vds=Vgs=40V的最大漏电流几乎是37 LA值的15倍。此外，0.65纳安的最大栅漏电流足够小于0.7纳安的公布值。

图七 基于四个印刷ZTO层和一个630nm厚的PS层的顶栅晶体管的输出特性。漏极电流ID显示为实线，相应的栅极电流IG显示为虚线。

表1.具有四层印刷ZTO和自旋涂层有机电介质PMMA（570nm）和PS（630nm）的顶栅晶体管的结果。它显示了饱和迁移率（LSAT）、阈值电压（VTH）、最大陷阱密度nmax陷阱、来自输出特性imax d的最大漏电流、最大网关电流imax g、次阈值摆动（s.s.）和开/关电流比（离子/IOFF）。

表1证实了这一建议，并包含使用方程计算的最大陷阱密度nmaxtrap。在该方程中，q是基本电荷，s.s。是次阈值摆动，k是Boltzmann常数，c是相应有机介质在100Hz下的面积电容。与PMMA晶体管相比，PS中的陷阱数量增加了2.4倍。由于两种介电材料的最终厚度值具有可比性，因此晶体管性能差异显著。PS晶体管性能不佳的一个可能解释是有机电介质和上栅极电极之间的不良界面。为了确定PMMA和PS层表面的光滑程度，拍摄了相应晶体管的介电表面的AFM图像（图8）。

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图八 PMMA（A）和PS（B）地形的AFM图像，包括在两个装置的聚合物表面获取的均方根粗糙度值

ZTO薄膜的接触角测量，由玻璃基板上的两个喷墨打印层组成，在液滴左侧显示51.4的接触角，在液滴右侧显示45.4的接触角。AFM图像显示了两种介质材料的非常相似的形貌，PMMA的均方根粗糙度值为0.39nm，PS的均方根粗糙度值为0.49nm。也非常接近。因此，有机层与顶部金电极之间的界面应具有相似的质量。因此，与ZTO/PMMA接口相比，ZTO/PS接口质量较差。有机介电材料与ZTO表面的粘附力是一个可能的解释。接触角测量显示印刷的ZTO薄膜的值为45–51，这意味着表面非常亲水。接触角测量结果见图9。Hinkley31和Keddie等人32 Wu也解释了这种情况接触角测量结果见图9。

图九 ZTO薄膜的接触角测量，由玻璃基板上的两个喷墨打印层组成，在液滴的左侧显示51.4°的接触角，在液滴的右侧显示45.4°的接触角

Hinkley31和Keddie等人32 Wu也解释了极性是聚合物对基底润湿性的一个非常重要的参数。28 PMMA的极性可以解释ZTO表面的氢键，因为与SiO2表面类似，其表面很可能存在如补充材料图S2所示的羟基，由于它们的极性差异，PS在ZTO上的粘附性不理想。由此产生的界面质量差会影响电荷积累，进而影响饱和迁移率。文献中还报道了非极性有机薄膜可以在极性亲水性ZTO表面分层。总之，采用自旋涂层PMMA作为介电层的最佳印刷ZTO顶栅晶体管的饱和迁移率为4.3cm2v-1s-1。该值是喷墨打印的混合ZTO/PMMA顶栅晶体管报告的最高移动性。此外，该装置显示了1.7V的小阈值电压、非常小的栅极电流以及105和1.87V/十年的开/关电流比和亚阈值摆动的可接受值。ZTO顶栅晶体管以PS为有机介质，器件性能较差。与PS相比，极性更强的PMMA与亲水性ZTO基底的粘附性更好，可以解释这一结果。。

参见补充材料中的转移sqrt图和zto表面改性在空气中的水吸附。作者要感谢Dr.Spi

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