具有超短通道的柔性全有機(jī)、全溶液處理薄膜晶體管陣列

2021-10-20 09:09 睿度光電RUIDU
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研究人員通過MicroFab的Jetlab Ⅱ直接噴墨打印導(dǎo)電聚合物作為源/漏和柵電極證明了超短溝道器件，無需任何復(fù)雜的基板預(yù)制圖工藝。通過全溶液工藝在3cm×3cm柔性基板上制造了一個(gè)由200個(gè)器件組成的有機(jī)TFT陣列，通道長(zhǎng)度為2μm。顯示出良好的均勻性和高產(chǎn)量。




有機(jī)薄膜晶體管（OTFT）由于其優(yōu)異的機(jī)械柔韌性和工藝的獨(dú)特特性，在柔性顯示器、傳感器、射頻識(shí)別標(biāo)簽、低成本存儲(chǔ)器和微處理器等廣泛應(yīng)用中引起了極大的關(guān)注。 兼容高吞吐量和低預(yù)算印刷工藝的優(yōu)勢(shì)。據(jù)報(bào)道OTFT的器件性能已經(jīng)優(yōu)于非晶硅器件。然而，OTFT器件的制造通常需要通過掩模進(jìn)行熱蒸發(fā)，以在真空中沉積金屬電極和半導(dǎo)體層。該過程成本高昂且難以擴(kuò)大規(guī)模。而由全溶液工藝制成的全有機(jī)TFT，發(fā)揮了有機(jī)材料在低成本和柔性電子應(yīng)用中的潛力。

已經(jīng)開發(fā)了各種技術(shù)來制造全有機(jī)TFT。傳統(tǒng)的光刻技術(shù)是無機(jī)半導(dǎo)體行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，已被探索用于在底部接觸OTFT中圖案化聚合物電極。盡管光刻是一種成熟的工藝并且能夠進(jìn)行高分辨率的圖案化，但由于有機(jī)半導(dǎo)體在蝕刻化學(xué)品暴露時(shí)降 解，其在OTFT圖案化中的應(yīng)用相當(dāng)有限。絲網(wǎng)印刷適用于大規(guī)模生產(chǎn)且比光刻便宜得多，在OTFT中的應(yīng)用比光刻要早得多。然而，獲得的90μm溝道長(zhǎng)度不足以滿足大驅(qū)動(dòng)電流和高開關(guān)速度的需求。從印章轉(zhuǎn)移圖案的微接觸印刷可以在保持低成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)與光刻一樣高的分辨率。然而，需要在真空中進(jìn)行昂貴的金屬沉積以制備電聚合模板來沉積電極。另一種簡(jiǎn)單且具有成本效益的圖案化技術(shù)是噴墨打印。其完全可添加的特性、圖案設(shè)計(jì)的靈活性和低材料消耗的優(yōu)勢(shì)使噴墨打印成為OTFT制造中一種有吸引力的沉積技術(shù)。然而，由于難以控制液滴尺寸和油墨在基材上的擴(kuò)散，噴墨印刷的圖案分辨率通常為數(shù)十微米。

所有上述技術(shù)都需要多步程序來對(duì)有機(jī)電極進(jìn)行圖案化，以實(shí)現(xiàn)窄通道長(zhǎng)度。研究人員開發(fā)了一種直寫技術(shù)，通過噴墨打印以高分辨率對(duì)有機(jī)電極進(jìn)行圖案化。在柔性基板上制造全有機(jī)和全溶液處理的TFT陣列。通過用PVA改變PET表面的表面潤(rùn)濕性，實(shí)現(xiàn)了由PEDOT:PSS電極定義的大約2μm的通道長(zhǎng)度。這是截至該研究為止，針對(duì)直接噴墨打印電極報(bào)告的**分辨率，無需任何復(fù)雜的基板預(yù)圖案化過程。在3cm×3cm柔性基板上制造了10x20的OTFT陣列，顯示出良好的均勻性和高產(chǎn)量。研究表明，通過仔細(xì)控制油墨在基材上的擴(kuò)散，直接噴墨印刷可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的OTFT。

為了在柔性基板上制造OTFT，200μm厚的PET箔首先經(jīng)過20分鐘的氧等離子體處理以增加表面能。將PVA的去離子水（20mg/mL）旋涂到PET薄膜上，形成50nm 的緩沖層以改性PET表面。在PVA表面改性層的頂部，通過線打印導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS制造S/D電極。有機(jī)半導(dǎo)體層通過旋涂PDQT的氯仿溶液（6 mg/mL）。有源層的厚度約為60nm。在有源層的頂部，從其乙酸正丁酯溶液 （50mg/mL）旋涂一層500nm的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜作為柵極介電層。額外的超薄聚乙二醇（PEO）層從5mg/mL的甲醇溶液中旋涂以改性PMMA表面，以增強(qiáng)其隨后的PEDOT:PSS柵極打印的潤(rùn)濕性，該打印垂直于S/D線。頂柵OTFT結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。所有工藝均以溶液為基礎(chǔ)，所有工藝均在室溫空氣中進(jìn)行。

▲ 圖1 OTFT結(jié)構(gòu)。（a）PEDOT：PSS和PDQT的分子結(jié)構(gòu)。（b）在柔性基板上具有噴墨印刷的 PEDOT:PSS 電極的全有機(jī)、全溶液處理的 OTFT 的器件結(jié)構(gòu)。

減少溝道長(zhǎng)度以實(shí)現(xiàn)高器件集成密度、高運(yùn)行速度和低功耗是OTFT開發(fā)的關(guān)鍵。雖然直接噴墨印刷導(dǎo)電聚合物（主要是PEDOT:PSS）作為OTFT器件中的S/D電極而無需預(yù)先圖案化基板已被證明，但由于油墨在基板上擴(kuò)散，典型的通道長(zhǎng)度在20 到50μm之間， 并且液滴定位錯(cuò)誤，為了克服這個(gè)問題，研究團(tuán)隊(duì)提出，通過使用親水性和可溶解層（即PVA緩沖層）修改基板的表面能，由于接觸線釘扎效應(yīng)和優(yōu)異的膜形態(tài)。

為了獲得超短通道，S/D電極的圖案化工藝至關(guān)重要。在噴墨打印過程中，在撞擊基材時(shí)，PEDOT:PSS液滴在動(dòng)能的驅(qū)動(dòng)下首先擴(kuò)散。之后，它由于表面張力而收縮，最后干燥形成穩(wěn)定的形狀。在非極性PET表面噴墨打印極性溶劑（水）中的PEDOT:PSS后，由于107°的高接觸角，連續(xù)打印的PEDOT:PSS液滴不能形成連續(xù)線。相反，形成了孤立的島，如圖2a所示。為了增加基材的親水性，旋涂PVA以改性PET表面。圖2b中的原子力顯微鏡（AFM）圖像顯示PVA具有**光滑的表面，均方根（RMS）粗糙度約為1.2nm。在PVA上，PEDOT:PSS的接觸角減小到 38°。結(jié)果，由Jetlab*Ⅱ連續(xù)打印的PEDOT:PSS液滴形成均勻的電極線，如圖2a所示。白光干涉顯微鏡的三維圖像顯示了沒有咖啡環(huán)的PEDOT:PSS線的相對(duì)光滑的表面（圖2c）。由截面輪廓確定線寬約106μm，線厚約100nm。

▲ 圖2 在PVA改性基材上打印PEDOT:PSS線。（b）在柔性基板上具有噴墨印刷的PEDOT:PSS電極的全有機(jī)、全溶液處理的OTFT的器件結(jié)構(gòu)。（a）PEDOT:PSS在PET表面的接觸角為107°。由于較小的固體表面能，基板上的線印刷導(dǎo)致孤立的島。PVA改性后，PEDOT:PSS接觸角變?yōu)?8°。通過線印刷PEDOT:PSS形成一條連續(xù)線。（b）AFM圖片顯示了光滑的PVA改性PET表面。（c）PVA改性PET上印刷的PEODT:PSS線的三維白光干涉顯微圖片和橫截面輪廓。（d）PVA改性PET上PEDOT:PSS干燥過程的順序圖。tf是總干燥時(shí)間。

增加基材表面能的常見做法是UV/臭氧或氧等離子體處理。然而，通過處理所提供的潤(rùn)濕性在空氣中不穩(wěn)定。對(duì)于PVA薄膜，親水層可確保在打印過程中大面積均勻涂覆PEDOT:PSS電極陣列，而不會(huì)降低潤(rùn)濕性。

此外，PVA層可以在PEDOT:PSS薄膜形成過程中固定接觸線。圖2d顯示了PEDOT:PSS液滴在PVA/PET基材上的干燥過程?？偢稍飼r(shí)間tf為600s。由于PVA在PEDOT:PSS液滴下方溶解，接觸線（如虛線所示）被強(qiáng)烈固定，并且在整個(gè)干燥過程中接觸線沒有撤回。通過計(jì)算和調(diào)整打印參數(shù)，直接噴墨打印實(shí)現(xiàn)了超短通道，無需任何復(fù)雜的基板預(yù)圖案化過程。

打印通道的顯微圖片和AFM形貌如圖3所示。圖3a的插圖顯示全溶液處理的OTFT是柔性和透明的。圖3e中的通道長(zhǎng)度分布表明直接噴墨打印是可靠且可重復(fù)的（2.0μm的平均值，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.5μm）。沒有檢測(cè)到S/D電極的縮短，證實(shí)了器件陣列制造的高產(chǎn)量。

▲ 圖3 超短通道的打印陣列。（a）在具有2μm通道長(zhǎng)度的柔性PET基板上打印的PEDOT:PSS陣列（10×20）。插圖：3cm×3cm基板上的陣列圖片，彎曲半徑約為5mm。（b）陣列的放大圖。（c）單個(gè)通道的圖片。（d）PEDOT:PSS 線的AFM圖片，間隙約為2μm。（e）200個(gè)通道的通道長(zhǎng)度分布。

總之，全有機(jī)和全溶液處理的OTFT陣列是在柔性基板PET上制造的。源極、漏極和柵極電極通過MicroFab的Jetlab Ⅱ噴墨打印導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS沉積。通過用水溶性PVA改性PET基材，PEDOT:PSS的接觸線在干燥過程中被固定，從而產(chǎn)生明確的邊緣。釘扎效應(yīng)隨后實(shí)現(xiàn)了對(duì)打印通道長(zhǎng)度的精確控制。2μm的超短通道無需任何復(fù)雜的基板預(yù)制圖工藝即可成功實(shí)現(xiàn)。通過打印具有200個(gè)電極對(duì)的陣列也沒有發(fā)現(xiàn)短路。

參考文獻(xiàn)：

[1] Xu W ,   Hu Z ,   Liu H , et al. Flexible All-organic, All-solution Processed Thin Film Transistor Array with Ultrashort Channel[J]. Scientific Reports, 2016, 6(1):29055.


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