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ACS Applied Materials & Interfaces:室温制备柔性非晶IGZO薄膜晶体管

发布时间:2018-09-29 访问次数:380次 来源: 柔性电子与智能技术 分享:

柔性可穿戴设备近年来受到广泛关注。非晶氧化物半导体(AOS)晶体管即便在较低的制备温度下也能获得优异的性能,高的迁移率和优良均匀性使得AOS TFT有能力驱动高分辨率、大尺寸的主动矩阵显示器,有望应用到柔性电子器件领域。

尽管用于沟道层的AOS薄膜可以在低温条件下制备,但是高质量的栅极介质层和钝化层很难在低温条件下得到。采用PECVD或者溅射法制备高质量的介质层往往需要300℃以上的制备温度,不适合应用于柔性基底。无论怎样,低温PECVD制备得到的SiO2致密度低,O2和H2O的阻绝能力差;而高温PECVD制备SiO2或SiNX会造成等离子体损伤以及引入更多的氢掺杂,成为导致AOS TFT热不稳定性的原因。因此柔性AOS TFT迫切需要一种制备高质量栅极介质层和钝化层的低温技术。

最新科研成果

近日,北京大学深圳研究院的Xiang Xiao等人,首次以聚合物为柔性衬底,基于阳极氧化法在室温下制备柔性非晶IGZO TFT(a-IGZO TFT)。其中介质层和钝化层均采用阳极氧化法制备,具备优异的钝化效果与可靠性。室温条件下得到的柔性a-IGZO TFT具备优良的电学性能、机械可靠性以及可接受的栅极偏压稳定性,有望应用到柔性可穿戴电子领域。

图1(a)所示是在a-IGZO上采用原位阳极氧化法制备Al:Nd的示意图,栅极介质层Al2O3和钝化层Al2O3也是采用同样的室温阳极氧化制备得到。a-IGZO TFT的三维结构和以PEN为基底的柔性a-IGZO TFT阵列分别如图1(b)和(c)所示。

图1

a)原位阳极氧化生长断面示意图;

b)在PEN上室温制备柔性a-IGZO TFT的三维示意图;

c)以 2 英寸 PEN 为基底的柔性 a-IGZO TFT 阵列

中性的电解液和适当的阳极氧化电压是制备优异性能的 a-IGZO TFT 的必要条件。优化工艺条件后,测试得到柔性 a-IGZO TFT 的 I-V 特性,如图2所示,计算得到 μFE, 亚阈值摆幅SS和开关比分别为7.5 cm2/(V s),0.44 V/dec和3.1 × 108。


2 室温制备的柔性 a-IGZO TFT 器件性能

aIDS-VGS 特性曲线(bIDS-VDS 特性曲线

对所制备的柔性 a-IGZO TFT进行栅极偏压稳定性测试,结果如图3所示。当施加正栅极偏压(PBS)3600s后,基于Al2O3钝化层的柔性 a-IGZO TFT 的ΔVTH,atm − ΔVTH,vac小于基于SiO2钝化层的a-IGZO TFT,施加负栅极偏压(NBS)下规律相同。可见阳极氧化法制备的Al2O3的钝化效果优于PECVD法制备SiO2。


3 基于阳极氧化法制备Al2O3钝化层的柔性a-IGZO TFT与基于PECVD法制备SiO2钝化层的BCE型刚性a-IGZO TFT在大气压和真空环境下的不同ΔVTH

对所制备的柔性a-IGZO TFT进行弯曲测试和疲劳测试,分别如图4、图5 所示。观察测试后TFT的电学性能,发现变化不大,可见所制备柔性a-IGZO TFT具备优良的机械可靠性。

4

室温制备得到的柔性a-IGZO TFT在不同弯曲半径下的特性

aIDS-VGS 特性曲线;(bIG-VGS特性曲线;

(c)电学参数变化

5 疲劳测试后的室温制备得到的柔性a-IGZO TFT特性

aIDS-VGS 特性曲线;(b)电学参数变化

该工作成功地展示了柔性a-IGZO TFT的全室温制备方法,具有良好的电学性能和机械可靠性,以及可接受的栅极偏压稳定性。这套柔性a-IGZO TFT的室温工艺在柔性可穿戴电子设备领域具有很好的应用前景。