Onderzoek van direct inkjet-geprint versus spin-coated ZrO2 voor sputter IGZO dunne-filmtransistor

Resultaat en discussie

Het filmvormingsproces van de directe inkjet-printmethode in vergelijking met de spin-coating-methode wordt voorgesteld in Fig. 1. Tijdens het spincoatingproces worden druppeltjes gedwongen om zich uniform over het hele substraat te verspreiden door centrifugale kracht [12]. Als gevolg hiervan, na het gloeiproces ZrO₂ moleculen zijn goed verdeeld over het substraat. Ondertussen is de meerderheid van ZrO₂ moleculen worden weggegooid tijdens het coatingproces, er ontstaan ​​vacatures in de film. De dichtheid van films vervaardigd door middel van spincoating is niet relevant voor coatingparameters voor bepaalde voorlopers [13]. Voor het inkjetprintproces beweegt de printer in een bepaalde richting om druppels op het substraat achter te laten. Druppels smelten samen bij de balans van het verspreidings- en krimpproces dat wordt beïnvloed door de zwaartekracht, oppervlaktespanning en visco-elasticiteit van de voorloper. Het filmvormingsproces van inkjetprinten kan goed worden gecontroleerd door de verwerkingsparameters van druppelruimte, jetsnelheid, inktsamenstelling en substraattemperatuur te optimaliseren [14]. De belangrijkste factor is de door de printer ingestelde druppelruimte en het nabehandelingsproces voor het substraat. Aanvullend bestand 1:Afbeelding S1 toont afbeeldingen van de contacthoek van printprecursor op ITO-substraat met verschillende UV-behandelingsperioden en de polarisatiemicroscoop van gegloeid ZrO₂ films. ZrO₂ film gedrukt op ITO-substraat met 40-s ozonstraling bezit de beste morfologie. Bovendien is de meerlaagse printmethode efficiënt in het verminderen van gaten in de film door vacatures te vullen met extra druppeltjes die direct op de eerste laag zijn gedrukt, wat leidt tot een meer homogene film met een hogere dichtheid en minder defecten [15]. De dikte van films bedrukte 1-laags en 2-laags film is respectievelijk 45 nm en 60 nm (Extra bestand 1:Afbeelding S2). De filmdikte staat niet in verhouding tot de geprinte lagen, wat verklaart dat de multiple-printmethode niet alleen een proces van dikteaccumulatie is [16]. Over het algemeen is de kwaliteit van direct gedrukte ZrO₂ films kunnen goed worden gecontroleerd door verwerkingsparameters. In ons experiment bereiden we spin-coated (SC), direct inkjet-geprinte 1-laags (DP1) en 2-laags (DP2) ZrO₂ films en IGZO-TFT-apparaten op basis van deze films om het verschil in filmmorfologie en elektrische eigenschappen van verschillende filmvormingsprocessen te onderzoeken.

Filmvormingsproces van a spincoating en b directe inkjet-afdrukmethode

Afbeelding 2a–c toont het O1s-spectrum van ZrO₂ film bereid door verschillende methoden. We hebben de zuurstof 1s-piek gemonteerd op een superpositie van drie piekcomponenten. De pieken gecentreerd op 529,8 ± 0,2 eV, 531,7 ± 0,2 eV en 532,1 ± 0,1 eV kunnen worden toegewezen aan metaal-zuurstofbindingssoorten (V _MO ), zuurstofvacatures (V _O ), en zwak gebonden soorten (V _M-OR ), respectievelijk [17, 18]. De V _MO soorten van de DP2-ZrO₂ film is 81,57%, wat veel hoger is dan de SC-ZrO₂ en DP1-ZrO₂ . De V _O soort is ook het laagst voor DP2-ZrO₂ film. Dit komt overeen met de hierboven genoemde ideeën:(1) direct inkjetprintproces kan ZrO₂ verkrijgen film met een hogere dichtheid en minder zuurstofvacatures, en (2) herhaald printproces kan de gaten en vallen opvullen en de vacatures in de film verminderen. AFM-meting werd uitgevoerd om de oppervlaktemorfologie van gedrukte ZrO₂ . te onderzoeken film vergeleken met die van spin-coated ZrO₂ weergegeven in Extra bestand 1:Afbeelding S3. Spin-coated ZrO₂ vertoont het gladste oppervlak met een oppervlakteruwheid van 0,29 nm, en direct bedrukt 1-laags en 2-laags ZrO₂ films zijn respectievelijk 1,05 nm en 0,67 nm. Direct gedrukte ZrO₂ film heeft een ruwer oppervlak als gevolg van de oncontroleerbare vloeistofstroom tijdens het filmvormingsproces [19]. De opmerkelijke afname van de oppervlakteruwheid door nog een laag te printen voor direct-gedrukte ZrO₂ film kan worden toegeschreven aan vloeistof die op het substraat is gedrukt, dat de gaten van de initiële laag opvult om een ​​meer homogene film te ontwikkelen. De XPS- en AFM-resultaten laten zien dat de inkjetprintmethode een potentieel heeft voor het produceren van diëlektrische films van hogere kwaliteit en minder defecten in vergelijking met de spincoatingmethode, samen met een geschatte oppervlakteruwheid die geschikt is voor TFT-fabricage.

O1s-spectrum van a SC, b DP1-laag en c DP2-laags ZrO₂ film

Capaciteit-spannings- en stroom-spanningsmetingen werden uitgevoerd om de elektrische eigenschappen van SC-ZrO₂ te onderzoeken en DP-ZrO₂ film met een Al/ZrO₂ /ITO-condensator (metaal-isolator-metaal) vervaardigd op glassubstraat. We elimineren de invloed van filmdikte, aangezien ze een geschatte dikte hebben (respectievelijk 60 nm, 45 nm en 60 nm). Zoals weergegeven in Afb. 3, DP1-ZrO₂ film vertoont nauwelijks isolerende eigenschappen, veroorzaakt door een groot aantal gaten in de film die als doorgang voor lekstroom dienen. DP2-ZrO₂ film vertoont de beste isolerende eigenschap, in overeenstemming met het hierboven genoemde resultaat van het O 1s-spectrum. Als gevolg hiervan is de lekstroomdichtheid van DP2-ZrO₂ film is 2,4 × 10 ⁻⁵ A/cm ² bij 1 MV/cm en de doorslagspanning is meer dan 2,5 MV/cm. In ons experiment zijn meer lagen geprint die vergelijkbaar zijn op de oppervlakteruwheid en vertonen ze weinig verbetering in lekstroomdichtheid vergeleken met geprinte 2-laags ZrO₂ film. Integendeel, het printen van te veel lagen kan de drievoudige lijn (lijn met verschillende fasen:gas, vloeistof, vaste stof) gemakkelijk naar buiten duwen, waardoor de niet-uniforme verdeling van voorloperinkt wordt veroorzaakt. Afbeelding 4 toont de capaciteit-spanningscurve van spin-coated en direct-printed ZrO₂ films. De relatieve diëlektrische constante voor deze drie monsters wordt berekend op 19,2, 20,1 en 18,8, wat dicht bij de referentiewaarde (18) ligt. Voor zowel spin-coated als inkjet-geprinte ZrO₂ films, de capaciteitsdichtheid neemt toe met spanningshysterese in beide drie monsters, en deze is het kleinst in SC-ZrO₂ monster en grootste in DP1-ZrO₂ film. De hysterese houdt verband met de uniformiteit en defecttoestand van de diëlektrische film. Het bevestigt dat de homogeniteit van coating ZrO₂ film is de beste en meerdere lagen kunnen de uniformiteit van films voor direct inkjetprinten verbeteren [20, 21].

Lekstroomdichtheid van SC, DP1-laag en DP2-laag ZrO₂ film

Capaciteitsdichtheid van a SC, b DP1-laag, en (c ) DP2-laags ZrO₂ film

Om het effect van ZrO₂ . verder te bestuderen laag gefabriceerd op verschillende manieren op TFT-prestaties en gate-bias stabiliteit, negatieve gate-bias stress (NBS) en positieve gate-bias stress (PBS) resultaten van IGZO-TFT met zowel SC-ZrO₂ en DP2-ZrO₂ worden weergegeven in Fig. 5. Overdrachtskarakteristieken onder NBS en PBS werden gemeten door een positieve (+ 5 V) of negatieve (− 5 V) bias gedurende 1 h toe te passen. De DP2-ZrO₂ IGZO TFT toont betere prestaties in statische toestand met een verzadigingsmobiliteit (μ _zat ) van 12,5 cm ² /V·s, ik _aan /Ik _uit radio van 10 ⁶ , en V _de van 0 V. De SC-ZrO₂ IGZO TFT vertoont een geschatte maar lagere mobiliteit van 10,2 cm ² /V·s, erger I _aan /Ik _uit radio van 2 × 10 ⁵ , en hogere stroom buiten de staat (I _uit ), voornamelijk als gevolg van een toename van kanaallekkage door een grotere hoeveelheid zuurstofvacatures (V _O ) in de diëlektrische film. De V _de verschuiving van IGZO TFT met zowel SC-ZrO₂ en DP2-ZrO₂ onder NBS-metingen is te verwaarlozen. De negatieve V _de verschuiving van oxide-TFT's onder NBS wordt over het algemeen veroorzaakt door het invangen van gaten of ladingsinjectie, aangezien de geïoniseerde zuurstofvacatures kunnen migreren naar de halfgeleider/isolator-interface onder het negatieve poortvoorspanningsveld. De NBS-resultaten geven aan dat ofwel SC-ZrO₂ of DP2-ZrO₂ film heeft een gunstig contact met IGZO [22, 23]. In tegenstelling tot SC-ZrO₂ IGZO TFT met een V _de verschuiving van 0,4 V na het toepassen van PBS gedurende 1 h, de DP2-ZrO₂ IGZO TFT vertoont een ernstige achteruitgang van de prestaties en grote V _de verschuiving van 1,2 V onder PBS-test. De resultaten van ZrO₂ -IGZO TFT's onder PBS-test zijn samengevat in Tabel 1. Sinds de V _de verschuiving van oxide-TFT's onder PBS-test wordt over het algemeen veroorzaakt door de diffusie van geabsorbeerde water- of zuurstofmoleculen, we kunnen aannemen dat het backchannel van DP2-ZrO₂ IGZO TFT is gevoeliger voor atmosferische omgevingen onder PBS-test [24, 25].

een NBS en b PBS-resultaten van SC-ZrO₂ IGZO TFT. c NBS en d PBS-resultaten van DP2-ZrO₂ IGZO TFT

Om de degeneratie en V_de . te onderzoeken shift onder PBS-test voor ZrO₂ -IGZO TFT, de transversale transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) -beelden en EDS-lijnscan werden gemeten om de elementverdeling te analyseren. Van de transversale TEM-afbeeldingen getoond in Fig. 6a en b , een structuur van de Al/IGZO/ZrO₂ onderzocht in dit artikel werd gepresenteerd. Van de TEM-beelden met hoge resolutie van het kanaalgebied voor zowel SC-ZrO₂ IGZO TFT en DP2-ZrO₂ IGZO TFT, een bijna 8 nm dikke IGZO-laag kan duidelijk worden waargenomen, wat kan worden bewezen door de verdeling van het In (Ga, Zn) -element in EDS-lijnscanresultaten. Ondertussen, voor zowel SC-ZrO₂ IGZO TFT en DP2-ZrO₂ IGZO TFT, de ZrO₂ laag vertoont een amorfe structuur die gunstig is voor een lage lekstroomdichtheid. Het is duidelijk dat uit het lijnscanresultaat het Al-element in de IGZO-laag diffundeert, wat kan worden veroorzaakt door impact tijdens het Al-sputterproces. Verder is de verhouding van Zr en O-element ongeveer 1:2, wat aantoont dat pure ZrO₂ werd gevormd na het gloeiproces. Uniforme verdeling van In-, Ga-, Zn- en Zr-elementen wordt ook verkregen in de IGZO-laag voor SC-ZrO₂ IGZO TFT, wat wijst op een homogene structuur van ZrO₂ en IGZO-film werd vastgesteld tijdens het sputteren en het nagloeiproces [19]. Maar voor DP2-ZrO2 zijn IGZO TFT, In, Ga, Zn, O en Zr onregelmatig verdeeld. Uit figuur 6 (b) kunnen we zien dat het Zr-element samen met het O-element is geconcentreerd op het grensvlak van de diëlektrische en actieve laag. En het viel volledig samen met de analyse van het filmvormingsproces van de meerlaagse afdrukmethode. Tijdens het meervoudig-printproces vult de voorloper die laatst op het substraat wordt afgedrukt gedeeltelijk de vacatures, en de meeste druppels hopen zich op aan de bovenkant [26]. Bovendien wordt de segregatie van het In- en Zn-element bij het achterkanaal van de IGZO-laag waargenomen in de IGZO-laag van het gedrukte ZrO₂ -TFT. Aangezien het aandeel van het Zn-element minimaal is in ons experiment, wordt de elektrische prestatie van IGZO TFT bepaald door het In- en Ga-element. De vorming van een In-rijk gebied op het Al/IGZO-grensvlak kan als volgt worden geconcludeerd:tijdens het uitgloeiproces van de IGZO-laag, die tot doel heeft de defecte toestand van IGZO te elimineren, was er een herverdeling van elk element. O-atomen werden "weggenomen" van In- en Zn-elementen omdat ze een lagere dissociatie-energie van de zuurstofbinding hebben dan het Zr-element, waardoor ze wegduwen van de diëlektrische / halfgeleiderinterface. De elementaire substantie van In- en Zn-elementen is instabiel, zodat ze opnieuw worden gecombineerd met zuurstof geabsorbeerd in het achterste kanaal, wat kan worden bewezen door de EDS-scanning [27,28,29]. Het In-rijke gebied met geabsorbeerde watermoleculen en zuurstof is de reden voor een grote V _de shift onder PBS-test.

een TEM-beeld en EDS-lijnscanning van SC-ZrO₂ IGZO TFT. b TEM-beeld en EDS-lijnscanning van DP2-ZrO₂ IGZO TFT

Om het mechanisme van de gedegenereerde uitvoering en V . conceptueel weer te geven _de verschuiving onder positieve voorspanning voor IGZO TFT, schematische banddiagrammen van TFT voor spin-coated ZrO₂ en met inkjet bedrukte ZrO₂ worden getoond in Fig. 7. DP2-ZrO₂ TFT kan meer dragers verzamelen dan SC-ZrO₂ TFT in statische toestand vanwege een betere isolerende eigenschap, maar onder positieve voorspanning worden de meeste dragers uitgeput door acceptorachtige moleculen zoals water en zuurstof in de atmosfeer. In het algemeen waterstof, zuurstof en H₂ O-moleculen zullen door diffusie in het backchannel in de dunne IGZO-film worden opgenomen. Daarna zal de waterstof reageren met zuurstof en zuurstof-hydroxidebindingen genereren en elektronen verbruiken, wat resulteert in gedegenereerde prestaties onder positieve bias-stress. Ondertussen is de geadsorbeerde O₂ en H₂ O-moleculen fungeren als een acceptorachtige val die elektronen uit de geleidingsband kan vangen, wat leidt tot de positieve V _de verschuiving na PBS [30]. De gedegenereerde prestaties en V _de ploegendiensten zijn onstabiel en kunnen zich na uren onder een omgevingsatmosfeer herstellen. Vanwege verschillende dissociatie-energieën van zuurstofbindingen van Zr-oxide (756 kJ/mol), Ga-Oxide (364 kJ/mol), In-Oxide (336 kJ/mol) en Zn-oxide (240 kJ/mol) [31 ], hebben O-atomen meer kans om te combineren met het Zr-element vanwege de grote dissociatie-energieën van zuurstofbindingen. Het In- en Zn-element weggedrukt van ZrO₂ /IGZO-interface naar het backchannel absorberen zuurstof in de omgeving. Voor IGZO TFT met direct inkjet-geprinte ZrO₂ als poortisolator, grote hoeveelheden waterstof, zuurstof en H₂ O-moleculen "verbruiken" de elektronen bij het toepassen van positieve bias-stress, wat leidt tot degeneratie van de prestaties van het apparaat. Methoden waaronder het introduceren van een passiveringslaag in de bovenkant van de source/drain-elektrode voor de onderste poortstructuur, het gebruik van de bovenste poortstructuur en het introduceren van een interface-modificatielaag tussen de diëlektrische en halfgeleiderlaag zijn effectieve manieren om PBS te verbeteren voor een oplossing-verwerkt TFT-apparaat, wat interessant is en zal worden uitgevoerd in ons verder onderzoek.

Banddiagrammen SC-ZrO₂ TFT en DP2-ZrO₂ TFT onder positieve bias-stress