噴墨打印網格電極在薄膜晶體管器件中的應用研究

張佳明 史愷 李旭 陸璐 沈兆偉 汪安奇 王智恒

摘要：隨著電子設備高速發(fā)展，噴墨打印技術逐步成為了電子器件制備的關鍵工藝。不同電子器件對圖案化成膜的要求不一樣。目前，成熟的圖案化制備工藝為光刻技術。但光刻工藝需要反復套刻、顯影、腐蝕等多個繁瑣的步驟，且存在制備材料浪費、環(huán)境不友好等問題?；趪娔蛴〖夹g，無論在襯底選擇性、圖案化設計靈活性、工藝簡化性等均具備了一定的優(yōu)勢。而且，打印材料選擇性較為廣泛，有機半導體、無機半導體、金屬粒子都可以實現圖案化制備，在光發(fā)射二極管、薄膜晶體管等電子器件中，都可以發(fā)揮其工藝優(yōu)勢，本論文針對噴墨打印制備的工藝，對新型打印技術制備薄膜晶體管的結構設計和優(yōu)勢進行了介紹，最后對噴墨打印網格電極在薄膜晶體管中的應用進行了探討。

關鍵詞：噴墨打印;電極;薄膜晶體管

0 引言

如今，隨著電子設備日新月異的發(fā)展，對器件中半導體層和金屬層的圖案化設計也是花樣繁多。給光刻工藝提出了很大的挑戰(zhàn)，在前期探索過程中，掩膜版的固定化限制了圖案化薄膜的多樣性設計。其次，反復套刻技術為多層結構的設計形成了一定阻礙。所以，關注熱點轉移到高精的噴墨打印技術制備光電器件，用來替代成熟的光刻技術。針對驅動顯示領域，目前可以實現用噴墨打印技術制備薄膜晶體管器件（TFT）[1]。在柵極和絕緣層襯底上通過噴墨打印技術制備金屬氧化物或有機半導體有源層結構，然后再制備源漏電極，形成基于噴墨打印方法制備的TFT器件。

1 噴墨打印薄膜晶體管結構設計與優(yōu)勢

在1960年，貝爾實驗室Kahng等組員成功制備了第一個硅基的金屬/氧化物/半導體晶體管器件[2]。通過器件中有源層材料的不斷變化，從硅基晶體管逐步發(fā)展到如今的有機晶體管和金屬氧化物晶體管[3]。通過光刻技術實現了不同有源層、絕緣層、電極的結構設計[4]。

針對基于印刷技術制備TFT器件，底柵極頂接觸結構更利于打印工藝。在制備好的底柵極和絕緣層上，可直接精密打印圖案化的有源層結構，最后打印頂接觸的源、漏電極，從而完成印刷TFT器件的整體制備工藝。目前，成熟的印刷技術制備的TFT器件主要選擇硅和熱氧化的二氧化硅作為底柵極和絕緣層，選取銦鎵鋅氧作為有源層的打印墨水，通過微米噴墨打印技術，在二氧化硅表面形成圖案化的有源層結構。最后，在有源層結構上噴墨打印制備源、漏電極，且電極間的距離可以通過打印間距的設置進行調控。

2 噴墨打印網格電極在薄膜晶體管中的應用

如果滿足當前對TFT器件應具備柔性和光透過性的需求，我們就沒有辦法選擇硅作為底柵極來制備透明或半透明的TFT器件。這就需要選擇光透過率較高的電極作為TFT的底柵電極，例如傳統(tǒng)的金屬氧化物透明導電薄膜、金屬納米線、碳納米管、金屬網格電極等[5]。綜合制備工藝和光電性能，較為理想的底柵極的選擇應為金屬網格電極。目前，金屬網格電極的制備主要為壓印法和刻蝕法，但由于工藝繁瑣、材料浪費等原因限制了這兩種方法制備金屬網格電極。所以，結合噴墨打印技術制備間距可調的金屬網格電極既可簡化工序，又可以實現柔性加工的需求。

首先，將銀納米粒子溶液作為打印墨水在柔性襯底上精密打印形成金屬網格結構，根據平衡網格電極的光透過率和導電性兩個參數的依賴關系，設計電極中打印線條的寬度和間距，通過退火固化形成導電性能良好的透明電極。其次，使用蒸鍍或溶膠凝膠方法在金屬網格電極上制備絕緣層材料。在絕緣層上通過使用噴墨打印技術，形成圖案化的有源層結構。最后，使用銀納米粒子墨水打印源、漏電極用于TFT器件性能的測試。噴墨打印網格電極作為柵極在TFT器件中的應用，不但可以大幅度提高電子的注入效率，而且可實現TFT器件的透明化，為TFT器件在光電子設備中的應用提供了更多可能性。

3 總結

隨著當代電子設備突飛猛進的更新換代，噴墨打印技術對電子元器件制備的推動受到了廣泛的關注。針對薄膜晶體管器件對不同圖案化結構設計的需求，噴墨打印技術滿足了工藝簡單、制備成本低、可柔性加工的需求。其中，噴墨打印制備的網格電極優(yōu)異的光透過率和導電性能具備了很好的應用價值。本論文針噴墨打印薄膜晶體管的制備工藝，對其結構設計與優(yōu)勢進行了介紹，對噴墨打印網格電極在薄膜晶體管中的應用進行了討論，為噴墨打印工藝制備光電器件領域提供一定的借鑒。

參考文獻：

[1] Avis C， Hwang H R， Jang J. Effect of Channel Layer Thickness on the Performance of Indium？Zinc？Tin Oxide Thin Film Transistors Manufactured By Inkjet Printing [J]. Applied Materials& Interfaces， 2014， 6： 10941-10945

[2] Kahng D， Atalla M M. Silicon-Silicon Dioxide Field Induced Surface Devices. In Carnegie Institute of Technology， IRE-AIEE Solid State Devices Research Conference， Pittsburgh， 1960.

[3] Hoffman R L， Norris B J， Wager J F. ZnO-based transparent thin-film transitors [J]. Appl Phys Lett，

2003， 82：733.

[4] Nomura K， Ohta H， Takagi A， Kamiya T， Hirano M， Hosono H. Room-Temperature Fabrication of Transparent Flexible Thin Film Transistors Using Amorphous Oxide Semiconductor [J]. Nature， 2004， 432： 488-492.

[5] Kumar A， Zhou C W. The Race To Replace Tin-Doped Indium Oxide： Which Material Will Win [J]. ACS Nano， 2010， 4： 11-14

作者簡介：張佳明，男，現就讀于吉林建筑大學電氣與計算機學院。