全氧化物无定形晶体管：喷墨打印微制造技术助力创新

通过控制掺杂水平和掺杂类型，可以使用具有透光性的n型半导体对ZnO系材料的电性质在一定范围内进行调整。这种多功能性使得这些材料可以用于透明电极、平板显示器半导体和太阳能电池^[41]。当TFT中两个金属电极和总线线路是透明的时，例如孔径比超过20%时，可以改善15in的液晶显示器的扩展图形阵列（XGA）。迄今为止，大部分的工作都集中在透明的ZnO系材料真空沉积的透明电极与不透明金属电极之间的活性通道上。已经证明溶液处理可以得到所有的氧化物透明晶体管。溶胶凝胶衍生的ZnO材料的电性能可以由控制金属和半导体的掺杂量和掺杂类型来实现。在顶部接触的高性能的n型TFT是通过在喷墨打印制造的ZIO源/漏极的顶部旋涂ZTO半导体而制成的，如图15.10所示。溶液法制备的透明TFT表现出的场效应是1.02（cm²/V）/s，开/关电流比约为10⁷，阈值电压约为5.69V，亚阈值电压为0.52V/dec，这与真空沉积的ZTO-TFT铝电极的性能相似。

图15.10 溶液处理的所有的氧化物透明晶体管。金属和半导体选择性掺杂的溶胶凝胶衍生ZnO材料电学性能。旋涂氧化锌锡（ZTO）半导体与喷墨打印氧化铟锌 （ZIO）集成电极得到了一个透明的TFT，它具有较高的性能和良好的透明性 （约为90%）（引用自参考文献[7]）

使用HRTEM观察溶液处理的喷墨打印ZIO电极的ZTO半导体剖面显微组织。该喷墨打印的氧化物电极与氧化物半导体形成相干接口，如图15.11所示。打印的ZIO电极和旋涂ZTO半导体的厚度分别为95nm和57nm。这种薄膜都是非晶态的，这表示不均匀密度纳米尺度的薄膜具有一种特殊功能。放大HRTEM照片提供了该溶液处理半导体和电极层的详细结构信息。ZTO半导体是无定形的，这可以由其快速傅里叶变换（FFT）图像来证明。与此相反，在喷墨打印ZIO电极是一个嵌入了2～3nm的氧化铟纳米晶的准晶体相构成，证实了在FFT图像中的出现的点和环。

图15.11 HRTEM图像（b）显示的是旋涂在ZTO半导体上的喷墨打印ZIO电极的横截面。放大的高分辨率透射电子显微镜图像（a）示出了喷墨打印的ZIO非准晶相，纳米晶体嵌入 其中。旋涂的ZTO半导体为非晶相，如图（c）的高分辨率图像，为旋涂ZTO半导体 非晶相。这些图是FFT中得到的图像（引用自参考文献[7]）(www.xing528.com)

此外为了拥有更好的透明度和简单起见，采用的溶液处理的方式得到的ZnO系透明TFT的优点是，相似的部件材料允许化学性质和电性能积极良好匹配表面的形成。喷墨打印ZIO在旋涂ZTO-TFT上，得到的产品输出特性明确，其具有饱和的截止区和漏电流，并且在低漏电压下，电极的输出特性显示出良好的接触性能。溶液处理法加工ZIO电极和半导体ZTO的工作电压分别是4.50eV和4.35eV，这是通过开尔文探针测量确定的。考虑到小的功函数差，预计喷墨打印ZIO与旋涂ZTO欧姆接触形成的电子载流子可以很容易地注入到半导体中^[42]。该集成的ZnO系材料组，包括电极和半导体，这样可以解决接触问题。在500℃下对打印在半导体的氧化物电极进行退火，在这期间，可能会出现接口的扩散。跨越接口的组成分布可以通过能量色散X射线谱（EDS）来测定。表15.1总结了薄膜材料从图15.11所示的四个不同的区域获得的成分。根据EDS分析，约4at%的铟从电极扩散到半导体层。铟扩散允许更好地控制在电极/半导体界面的能量水平，对铟的扩散非常有用。扩散铟增加了载流子迁移率，因为铟掺杂到ZTO是作为异价掺杂。载流子迁移率在接口处增强，有助于形成良好的电接触。通过降低电阻，可以使界面匹配的活性增强，这反过来又使器件产生了优异的性能。

表15.1 化学成分分析结果（原子百分比）横跨的喷墨打印ZIO/旋涂ZTO半导体的表面从能量色散X射线（EDX）谱结果

注：引用自参考文献[7]。