Investigasi cetak inkjet langsung versus ZrO2 spin-coated untuk transistor film tipis IGZO sputter
Abstrak
Dalam pekerjaan ini, arus bocor rendah ZrO2 dibuat untuk transistor film tipis sputter indium gallium zinc oxide (IGZO) menggunakan teknologi pencetakan inkjet langsung. ZrO yang dilapisi spin dan dicetak langsung dengan inkjet2 disiapkan untuk menyelidiki proses pembentukan film dan kinerja listrik untuk proses yang berbeda. ZrO homogen2 film diamati melalui gambar TEM resolusi tinggi. Struktur kimia ZrO2 film diselidiki dengan pengukuran XPS. ZrO yang dicetak dengan inkjet2 lapisan pada IGZO menunjukkan kinerja yang unggul pada mobilitas dan arus keadaan tidak aktif, tetapi V . yang besar th bergeser di bawah tekanan bias positif. Akibatnya, perangkat TFT berdasarkan ZrO yang dicetak dengan inkjet2 menunjukkan mobilitas saturasi 12,4 cm
2
/Vs, sayapada /Sayamati rasio 10
6
, menyalakan tegangan 0 V dan 1,4-V Vth bergeser setelah strain PBS 1 jam. Film dengan densitas yang lebih tinggi dengan kekosongan oksigen yang lebih sedikit bertanggung jawab atas arus keadaan tidak aktif yang rendah untuk ZrO yang dicetak2 perangkat. Mekanisme penurunan kinerja pada uji PBS dapat dianggap berasal dari daerah kaya yang terbentuk di saluran belakang yang dengan mudah menyerap H2 O dan oksigen. H2 . yang diserap O dan oksigen menangkap elektron di bawah tekanan bias positif, berfungsi sebagai akseptor dalam perangkat TFT. Karya ini mendemonstrasikan proses pembentukan film dari film oksida langsung yang dicetak dengan inkjet dan spin-coated serta mengungkapkan potensi dielektrik oksida yang dicetak dengan inkjet langsung dalam perangkat TFT oksida berperforma tinggi.
Latar Belakang
Dielektrik oksida logam baru-baru ini muncul sebagai alternatif yang menjanjikan untuk SiO2 dan SiNx di transistor film tipis (TFT) karena sifat unggul mereka, termasuk kapasitansi tinggi, negara cacat rendah, dan celah pita besar yang mengarah ke mobilitas tinggi dan arus rendah [1,2,3]. Untuk alasan ini, dielektrik oksida yang dibuat dengan proses vakum banyak dipelajari dalam tampilan, susunan sensor, dan sirkuit penggerak [4]. Sementara itu, proses solusi juga mendapat perhatian yang luar biasa karena keuntungan dari biaya rendah untuk fabrikasi skala besar termasuk spin coating, pencetakan inkjet, spray coating, dan slit coating [5, 6]. Di antaranya, pencetakan inkjet langsung adalah metode paling menjanjikan yang dapat menghasilkan film berpola tanpa fotolitografi. Namun, perangkat TFT yang dibuat dengan proses pencetakan inkjet menunjukkan kinerja listrik yang lebih rendah dibandingkan dengan yang diproses secara vakum. Film oksida logam pencetakan inkjet langsung menghadapi masalah serius:(1) penyebaran prekursor oksida yang tidak terkendali pada substrat karena perbedaan energi permukaan cairan dan substrat dan (2) kompatibilitas dielektrik oksida tercetak dengan semikonduktor [7 ].
Proses pembentukan film dari film dielektrik yang diproses dengan larutan memiliki pengaruh yang signifikan terhadap sifat kelistrikan. Metode spin-coating sebagai teknik mapan banyak digunakan dalam TFT yang diproses dengan larutan. Kerapatan arus bocor dielektrik oksida spin-coated biasanya lebih rendah dari 10
−6
A/cm
2
pada 1 MV/cm, dan medan listrik tembus lebih dari 2 MV/cm. Mobilitas saturasi TFT berdasarkan dielektrik oksida berlapis adalah sekitar 10 cm
2
/Vs. Namun, untuk dielektrik oksida tercetak, rapat arus bocor sekitar dua kali lipat lebih tinggi daripada untuk film oksida berlapis (>10
− 4
A/cm
2
pada 1 MV/cm) dan mobilitas saturasi lebih rendah dari 5 cm
2
/Vs. Beberapa laporan telah membuat perbandingan film dielektrik cetak inkjet dengan film spin-coated terutama pada proses pembentukan film. Kepadatan, kekasaran permukaan dan homogenitas film dielektrik adalah faktor terpenting yang berhubungan dengan kinerja listrik TFT [8]. Selain itu, antarmuka antara isolator gerbang dan semikonduktor juga memainkan peran kunci untuk proses solusi TFT [9]. Sebuah studi komprehensif tentang dielektrik oksida yang dicetak dengan inkjet sangat berharga untuk lebih memahami teknik yang menjanjikan ini.
Dalam makalah ini, kami menyiapkan ZrO2 berkualitas tinggi film dengan penampilan permukaan yang baik dan kinerja listrik yang sangat baik dengan metode pelapisan dan pencetakan dan menyelidiki efek listrik yang diterapkan pada sputtered indium gallium zinc oxide (IGZO) TFT [10, 11]. Proses pembentukan film dari metode spin-coating dan pencetakan langsung dibandingkan. Metode spin-coating didominasi oleh gaya sentrifugal yang mengarah pada distribusi molekul yang seragam tetapi dispersif sedangkan proses pencetakan inkjet bergantung pada dinamika fluida. Menurut uji XPS dan IV, ZrO yang dicetak dengan inkjet2 film (lapisan ganda) memiliki kekosongan oksigen lebih sedikit dibandingkan dengan yang dilapisi spin. Meningkatkan lapisan cetak ZrO2 film dapat mengisi lubang dan kekosongan yang diciptakan oleh aliran prekursor yang tidak stabil yang menyebar pada substrat, berkontribusi terhadap lebih sedikit cacat dan keseragaman yang unggul. ZrO yang dicetak dengan inkjet langsung2 film untuk IGZO tergagap memiliki kerapatan arus bocor yang lebih rendah, mobilitas yang lebih tinggi, rasio hidup/mati yang lebih besar, dan V yang lebih besar th bergeser di bawah tekanan bias positif daripada ZrO berlapis spin2 -TFT. Wilayah kaya terbentuk di saluran belakang ZrO yang dicetak dengan inkjet2 TFT bertanggung jawab atas stabilitas yang lebih buruk karena molekul air dan oksigen di udara dapat dengan mudah diserap di bawah tekanan bias positif, memakan elektron dari lapisan IGZO. Ini mengungkapkan bahwa teknik pencetakan inkjet langsung mampu membuat dielektrik oksida densitas tinggi tetapi cacat antarmuka harus dikontrol dengan baik untuk menghindari ketidakstabilan listrik.
Metode
Materi
ZrO2 larutan disintesis dengan melarutkan 0,6 M ZrOCl2 ·8H2 O dalam 10 ml campuran pelarut 2-metoksietanol (2MOE) dan etilen glikol dengan perbandingan 2:3 untuk mencapai tegangan permukaan prekursor tertentu. Solusinya diaduk pada 500 r/menit pada suhu kamar selama 2 jam, diikuti dengan penuaan setidaknya selama 1 hari. Untuk proses perlakuan UV ozon, digunakan lampu UV 100-W dengan panjang gelombang 250 nm untuk menyinari substrat indium tin oxide (ITO) yang dibersihkan dengan isopropil alkohol dan air deionisasi. Selanjutnya, ZrO2 film dibentuk oleh spin coating atau proses pencetakan inkjet langsung. Proses coating dilakukan dengan kecepatan 5000 rpm selama 45 s, sedangkan drop space dan temperatur nozzle adalah 30 μm dan 30 °C untuk proses pencetakan. ZrO2 film dianil pada 350 °C di bawah lingkungan atmosfer selama 1 h. IGZO setebal 10 nm kemudian ditumbuhkan dengan metode pulsed sputtering arus searah dengan tekanan 1 mTorr (oksigen:argon = 5%) dan dipola dengan shadow mask. IGZO dianil pada 300 °C selama 1 jam untuk mengurangi cacat pada film. Lebar dan panjang saluran adalah 550 μm dan 450 μm; dengan demikian, rasio lebar/panjang adalah 1,22. Terakhir, elektroda sumber/penguras Al dengan ketebalan 150 nm diendapkan dengan sputtering arus searah pada suhu kamar.
Instrumen
Pengukuran spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) dilakukan untuk menyelidiki struktur kimia dalam semikonduktor oksida yang dilakukan oleh ESCALAB250Xi (Thermo-Fisher Scientific, Waltham, MA, USA) pada tekanan dasar 7,5 × 10
−5
mTorr. Gambar mikroskop elektron transmisi (TEM) penampang diukur dengan JEM-2100F (JEOL, Akishima, Tokyo, Jepang) dan hasil pemindaian pemetaan sistem diferensial elektronik (EDS) dianalisis oleh Bruker (Adlershof, Berlin, Jerman) untuk menyelidiki distribusi elemen. Di bawah kondisi gelap dan udara di RT, kurva kapasitansi-tegangan diukur dengan LCR Meter presisi 4284A Agilent (HP, USA). Untuk mengukur karakteristik transfer IGZO TFT dan kurva kerapatan arus bocor, kami menggunakan penganalisis parameter semikonduktor presisi Agilent 4156C. Karakteristik transfer diukur dengan tegangan gerbang yang menyapu dari 5 ke 5 V dengan tegangan saluran 5 V. Kami menghitung mobilitas efek medan menggunakan kurva transfer terukur dan persamaan berikut:
di mana sayaDS , Ci , , W, L, VGS , dan Vth adalah arus pembuangan, kapasitansi dielektrik gerbang per satuan luas, mobilitas saturasi, lebar saluran, panjang saluran, tegangan gerbang, dan tegangan ambang. Konstanta dielektrik dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
dimana εr , C , d , ε0 , dan S adalah konstanta dielektrik relatif, kapasitansi dielektrik gerbang, ketebalan dielektrik gerbang, konstanta dielektrik vakum, dan luas elektroda.
Hasil dan Diskusi
Proses pembentukan film dari metode direct inkjet-printing dibandingkan dengan metode spin-coating diusulkan pada Gambar 1. Selama proses spin coating, tetesan dipaksa untuk menyebar secara merata di seluruh substrat dengan gaya sentrifugal [12]. Akibatnya, setelah proses annealing ZrO2 molekul terdistribusi dengan baik pada substrat. Sementara itu, sebagian besar ZrO2 molekul dibuang selama proses pelapisan, kekosongan terjadi di dalam film. Kepadatan film yang dibuat dengan proses spin coating tidak relevan dengan parameter pelapisan untuk prekursor tertentu [13]. Untuk proses pencetakan inkjet, printer bergerak ke arah tertentu untuk meninggalkan tetesan pada media. Tetesan bergabung bersama pada keseimbangan proses menyebar dan menyusut yang dipengaruhi oleh gravitasi, tegangan permukaan dan viskoelastisitas prekursor. Proses pembentukan film pada pencetakan inkjet dapat dikontrol dengan baik dengan mengoptimalkan parameter pemrosesan ruang tetesan, kecepatan jet, komposisi tinta, dan suhu substrat [14]. Faktor terpenting adalah ruang jatuh yang ditetapkan oleh printer dan proses pasca perawatan untuk media. File tambahan 1:Gambar S1 menunjukkan gambar sudut kontak prekursor pencetakan pada substrat ITO dengan periode perlakuan UV yang berbeda dan mikroskop polarisasi ZrO anil2 film. ZrO2 Film yang dicetak pada substrat ITO dengan penyinaran ozon 40 detik memiliki morfologi terbaik. Selain itu, metode pencetakan multi-layer efisien dalam mengurangi lubang pada film dengan mengisi kekosongan dengan tetesan tambahan yang langsung dicetak di atas lapisan sebelumnya, yang mengarah ke film yang lebih homogen dengan kepadatan lebih tinggi dan lebih sedikit cacat [15]. Ketebalan film yang dicetak film 1-layer dan 2-layer masing-masing adalah 45 nm dan 60 nm (File tambahan 1:Gambar S2). Ketebalan film tidak sebanding dengan lapisan yang dicetak, yang menjelaskan bahwa metode pencetakan ganda bukan hanya proses akumulasi ketebalan [16]. Secara umum, kualitas cetak langsung ZrO2 film dapat dikontrol dengan baik oleh parameter pemrosesan. Dalam percobaan kami, kami menyiapkan spin-coated (SC), direct inkjet-printed 1-layer (DP1) dan 2-layer (DP2) ZrO2 film dan perangkat IGZO-TFT berdasarkan film ini untuk menyelidiki perbedaan morfologi film dan sifat listrik dari proses pembentukan film yang berbeda.
Proses pembentukan film a pelapisan spin dan b metode pencetakan inkjet langsung
Gambar 2a–c menunjukkan spektrum O1s dari ZrO2 film disiapkan dengan metode yang berbeda. Kami memasang puncak oksigen 1 ke superposisi tiga komponen puncak. Puncak yang berpusat pada 529.8 ± 0.2 eV, 531.7 ± 0.2 eV, dan 532.1 ± 0.1 eV dapat ditetapkan untuk spesies ikatan logam-oksigen (VM-O ), lowongan oksigen (VO ), dan spesies yang terikat lemah (VT-ATAU ), masing-masing [17, 18]. VM-O spesies DP2-ZrO2 film adalah 81,57%, yang jauh lebih tinggi daripada SC-ZrO2 dan DP1-ZrO2 . VO spesies juga terendah untuk DP2-ZrO2 film. Hal ini sesuai dengan ide yang disebutkan di atas:(1) proses pencetakan inkjet langsung dapat memperoleh ZrO2 film dengan kepadatan lebih tinggi dan kekosongan oksigen lebih sedikit, dan (2) proses pencetakan berulang dapat mengisi lubang dan perangkap dan mengurangi kekosongan di dalam film. Pengukuran AFM dilakukan untuk mengetahui morfologi permukaan ZrO tercetak2 film dibandingkan dengan ZrO spin-coated2 ditampilkan di File tambahan 1:Gambar S3. ZrO berlapis spin2 menunjukkan permukaan paling halus dengan kekasaran permukaan 0,29 nm, dan ZrO 1 lapis dan 2 lapis cetak langsung2 film adalah 1,05 nm dan 0,67 nm, masing-masing. ZrO yang dicetak langsung2 Film memiliki permukaan yang lebih kasar karena aliran fluida yang tidak terkendali selama proses pembentukan film [19]. Penurunan luar biasa pada kekasaran permukaan dari pencetakan satu lapisan lagi untuk ZrO yang dicetak langsung2 film dapat dianggap berasal dari cairan yang dicetak pada substrat yang kemudian mengisi lubang-lubang lapisan awal untuk mengembangkan film yang lebih homogen. Hasil XPS dan AFM menunjukkan bahwa metode pencetakan inkjet memiliki potensi untuk menghasilkan film dielektrik dengan kualitas yang lebih tinggi dan cacat yang lebih rendah dibandingkan dengan metode spin coating, serta perkiraan kekasaran permukaan yang sesuai untuk fabrikasi TFT.
Spektrum O1 dari a SC, b DP1, dan c DP2-lapisan ZrO2 film
Pengukuran kapasitansi-tegangan dan arus-tegangan dilakukan untuk menyelidiki sifat kelistrikan SC-ZrO2 dan DP-ZrO2 film menggunakan Al/ZrO2 /ITO kapasitor (logam-isolator-logam) dibuat pada substrat kaca. Kami menghilangkan pengaruh yang dibawa oleh ketebalan film karena mereka memiliki ketebalan perkiraan (60 nm, 45 nm, dan 60 nm, masing-masing). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, DP1-ZrO2 film menunjukkan hampir tidak ada properti isolasi, yang disebabkan oleh sejumlah besar kekosongan dalam film yang berfungsi sebagai saluran untuk arus bocor. DP2-ZrO2 film menunjukkan sifat isolasi terbaik, konsisten dengan hasil spektrum O1s yang disebutkan di atas. Akibatnya rapat arus bocor DP2-ZrO2 filmnya 2,4 × 10
−5
A/cm
2
pada 1 MV/cm dan tegangan tembus lebih dari 2.5 MV/cm. Dalam percobaan kami, lebih banyak lapisan yang dicetak serupa pada kekasaran permukaan dan menunjukkan sedikit peningkatan dalam kerapatan arus bocor dibandingkan dengan ZrO 2 lapis yang dicetak2 film. Sebaliknya, mencetak terlalu banyak lapisan dapat dengan mudah mendorong garis rangkap tiga (garis fase yang berbeda:gas, cair, padat) bergerak keluar, mendorong distribusi tinta prekursor yang tidak seragam. Gambar 4 menunjukkan kurva kapasitansi-tegangan ZrO yang dilapisi spin dan dicetak langsung2 film. Konstanta dielektrik relatif untuk ketiga sampel ini dihitung menjadi 19,2, 20,1, dan 18,8 yang mendekati nilai referensi (18). Untuk ZrO yang dilapisi spin dan dicetak dengan inkjet2 film, densitas kapasitansi meningkat dengan histeresis tegangan diamati di kedua tiga sampel, dan terkecil di SC-ZrO2 sampel dan terbesar di DP1-ZrO2 film. Histeresis terkait dengan keseragaman dan keadaan cacat film dielektrik. Ini menegaskan bahwa homogenitas pelapisan ZrO2 film adalah yang terbaik dan lapisan ganda dapat meningkatkan keseragaman film pencetakan inkjet langsung [20, 21].
Kerapatan arus bocor SC, lapisan DP1, dan lapisan DP2 ZrO2 film
Kepadatan kapasitansi a SC, b Lapisan DP1, dan (c ) DP2-lapisan ZrO2 film
Untuk mempelajari lebih lanjut pengaruh ZrO2 lapisan yang dibuat dengan cara yang berbeda pada kinerja TFT dan stabilitas bias gerbang, tegangan bias gerbang negatif (NBS) dan tegangan bias gerbang positif (PBS) hasil IGZO-TFT dengan SC-ZrO2 dan DP2-ZrO2 disajikan pada Gambar. 5. Kurva karakteristik transfer di bawah NBS dan PBS diukur dengan menerapkan bias positif (+ 5 V) atau negatif (− 5 V) selama 1 h. DP2-ZrO2 IGZO TFT menunjukkan kinerja yang lebih baik pada keadaan statis dengan mobilitas saturasi (μsab ) dari 12,5 cm
2
/V·s, Akupada /Akunonaktif radio 10
6
, dan Vth dari 0 V. SC-ZrO2 IGZO TFT menunjukkan perkiraan tetapi mobilitas lebih rendah 10,2 cm
2
/V·s, lebih buruk Akupada /Akunonaktif radio 2 × 10
5
, dan arus off-state yang lebih tinggi (Inonaktif ), terutama karena peningkatan kebocoran saluran dengan jumlah kekosongan oksigen yang lebih besar (VO ) dalam film dielektrik. Vth pergeseran TFT IGZO dengan kedua SC-ZrO2 dan DP2-ZrO2 di bawah pengukuran NBS dapat diabaikan. Negatif Vth pergeseran TFT oksida di bawah NBS umumnya disebabkan oleh perangkap lubang atau injeksi muatan karena kekosongan oksigen terionisasi dapat bermigrasi ke antarmuka semikonduktor/isolator di bawah bidang bias gerbang negatif. Hasil NBS menunjukkan bahwa baik SC-ZrO2 atau DP2-ZrO2 film memiliki kontak yang menguntungkan dengan IGZO [22, 23]. Namun, tidak seperti SC-ZrO2 IGZO TFT yang menampilkan Vth pergeseran 0,4 V setelah menerapkan PBS selama 1 h, DP2-ZrO2 IGZO TFT menunjukkan penurunan kinerja yang parah dan V . yang besar th pergeseran 1,2 V di bawah uji PBS. Hasil ZrO2 -IGZO TFT di bawah uji PBS diringkas dalam Tabel 1. Sejak Vth pergeseran TFT oksida di bawah uji PBS umumnya disebabkan oleh difusi molekul air atau oksigen yang diserap, kita dapat mengasumsikan bahwa saluran belakang DP2-ZrO2 IGZO TFT lebih sensitif terhadap lingkungan atmosfer di bawah uji PBS [24, 25].
a NBS dan b Hasil PBS SC-ZrO2 IGZO TFT. c NBS dan d Hasil PBS DP2-ZrO2 IGZO TFT
Untuk menyelidiki degenerasi dan Vth pergeseran di bawah uji PBS untuk ZrO2 -IGZO TFT, gambar mikroskop elektron transmisi (TEM) cross-sectional dan pemindaian garis EDS diukur untuk menganalisis distribusi elemen. Dari gambar TEM penampang yang ditunjukkan pada Gambar. 6a dan b , struktur Al/IGZO/ZrO2 diselidiki dalam makalah ini disajikan. Dari gambar TEM resolusi tinggi dari wilayah saluran untuk kedua SC-ZrO2 IGZO TFT dan DP2-ZrO2 IGZO TFT, lapisan IGZO dengan ketebalan hampir 8 nm dapat diamati dengan jelas, yang dapat dibuktikan dengan sebaran unsur In (Ga, Zn) pada hasil pemindaian garis EDS. Sedangkan untuk kedua SC-ZrO2 IGZO TFT dan DP2-ZrO2 IGZO TFT, ZrO2 lapisan menunjukkan struktur amorf yang bermanfaat untuk kerapatan arus bocor rendah. Dari hasil pemindaian garis terlihat jelas bahwa unsur Al berdifusi ke dalam lapisan IGZO, yang mungkin disebabkan oleh benturan selama proses sputtering Al. Selanjutnya, perbandingan unsur Zr dan O kira-kira 1:2, yang menunjukkan bahwa ZrO murni2 terbentuk setelah proses annealing. Distribusi seragam elemen In, Ga, Zn, dan Zr juga diperoleh pada lapisan IGZO untuk SC-ZrO2 IGZO TFT, menunjukkan struktur ZrO yang homogen2 dan film IGZO terbentuk selama sputtering dan proses pasca-anil [19]. Namun untuk DP2-ZrO2 IGZO TFT, In, Ga, Zn, O dan Zr berdistribusi tidak beraturan. Dari Gambar 6(b), kita dapat melihat elemen Zr bersama dengan elemen O terkonsentrasi pada antarmuka dielektrik dan lapisan aktif. Dan itu benar-benar bertepatan dengan analisis proses pembentukan film dari metode pencetakan multi-layer. Selama proses pencetakan ganda, prekursor yang dicetak terakhir pada substrat sebagian mengisi kekosongan, dan sebagian besar tetesan terakumulasi di bagian atas [26]. Selain itu, segregasi unsur In dan Zn pada backchannel lapisan IGZO diamati pada lapisan IGZO ZrO tercetak2 -TFT. Karena proporsi elemen Zn minimum dalam percobaan kami, kinerja listrik TFT IGZO ditentukan oleh elemen In dan Ga. Terbentuknya In-rich region pada antarmuka Al/IGZO dapat disimpulkan sebagai berikut:pada saat proses annealing lapisan IGZO yang bertujuan untuk menghilangkan keadaan defect IGZO, terjadi redistribusi setiap elemen. Atom O "diambil" dari elemen In dan Zn karena mereka memiliki energi disosiasi ikatan oksigen yang lebih rendah daripada elemen Zr, mendorong mereka menjauh dari antarmuka dielektrik/semikonduktor. Substansi dasar unsur In dan Zn tidak stabil sehingga bergabung kembali dengan oksigen yang diserap di saluran belakang, yang dapat dibuktikan dengan pemindaian EDS [27,28,29]. Daerah kaya dengan molekul air dan oksigen yang diserap adalah alasan untuk V . yang besar th shift di bawah uji PBS.
a Gambar TEM dan pemindaian garis EDS SC-ZrO2 IGZO TFT. b Gambar TEM dan pemindaian garis EDS DP2-ZrO2 IGZO TFT
Untuk menggambarkan secara konseptual mekanisme kinerja yang merosot dan Vth pergeseran di bawah tekanan bias positif untuk IGZO TFT, diagram pita skematik TFT untuk ZrO berlapis spin2 dan ZrO yang dicetak dengan inkjet2 ditunjukkan pada Gambar. 7. DP2-ZrO2 TFT dapat mengakumulasi lebih banyak operator daripada SC-ZrO2 TFT pada keadaan statis karena sifat isolasi yang lebih baik, tetapi di bawah tekanan bias positif, sebagian besar pembawa habis oleh molekul seperti akseptor seperti air dan oksigen di atmosfer. Secara umum, hidrogen, oksigen, dan H2 Molekul O akan bergabung ke dalam film tipis IGZO karena difusi di saluran belakang. Setelah itu, hidrogen akan bereaksi dengan oksigen dan menghasilkan ikatan oksigen-hidroksida dan mengkonsumsi elektron yang menghasilkan kinerja yang menurun di bawah tekanan bias positif. Sedangkan O2 . yang teradsorpsi dan H2 Molekul O bertindak sebagai perangkap seperti akseptor yang dapat menangkap elektron dari pita konduksi, mengarah ke V positif th pergeseran setelah PBS [30]. Performa merosot dan Vth shift tidak stabil dan dapat pulih setelah berjam-jam di bawah atmosfer sekitar. Karena perbedaan energi disosiasi ikatan oksigen Zr-Oxide (756 kJ/mol), Ga-Oxide (364 kJ/mol), In-Oxide (336 kJ/mol), dan Zn-Oxide (240 kJ/mol) [31 ], atom O lebih mungkin untuk bergabung dengan elemen Zr karena energi disosiasi ikatan oksigen yang besar. Elemen In dan Zn didorong menjauh dari ZrO2 / IGZO antarmuka ke backchannel menyerap oksigen di lingkungan. Untuk IGZO TFT menggunakan ZrO cetak inkjet langsung2 sebagai isolator gerbang, sejumlah besar hidrogen, oksigen, dan H2 Molekul O "mengkonsumsi" elektron saat menerapkan tegangan bias positif, yang menyebabkan penurunan kinerja perangkat. Metode termasuk memasukkan lapisan pasivasi di bagian atas elektroda sumber/pembuangan untuk struktur gerbang bawah, menggunakan struktur gerbang atas, dan memperkenalkan lapisan modifikasi antarmuka antara lapisan dielektrik dan semikonduktor adalah cara yang efektif untuk meningkatkan PBS untuk perangkat TFT yang diproses larutan, yang menarik dan akan dilakukan dalam penelitian kami selanjutnya.
Diagram pita SC-ZrO2 TFT dan DP2-ZrO2 TFT di bawah tekanan bias positif
Kesimpulan
Sebagai kesimpulan, kami membuat ZrO yang dicetak dengan inkjet langsung berkualitas tinggi2 insulator gerbang menggunakan metode pencetakan multi-layer tanpa teknologi pola tambahan, yang cocok untuk proses fabrikasi pencetakan ukuran besar. Proses pembentukan film menunjukkan bahwa ZrO2 film yang dibuat dengan proses direct inkjet-printing memperoleh struktur yang lebih padat dibandingkan dengan proses spin coating, tetapi homogenitasnya lebih buruk karena aliran cairan tinta prekursor yang tidak terkendali. Hasil XPS menunjukkan ZrO 2 lapis yang dicetak2 film memiliki persentase spesies M-O-M tertinggi (VM-O ) dan lowongan oksigen terendah (VO ), tercermin dalam kerapatan arus bocor yang rendah. Kurva kapasitansi-tegangan DP2-ZrO2 film menunjukkan sedikit histeresis, yang mirip dengan SC-ZrO2 . Akibatnya, DP2-ZrO2 film menunjukkan rapat arus bocor yang relatif rendah sebesar 2,4 × 10
−5
A/cm
2
pada 1 MV/cm dan tegangan tembus lebih dari 2 MV/cm; Perangkat TFT berdasarkan DP2-ZrO2 menunjukkan mobilitas saturasi 12,4 cm
2
/Vs, sebuah Akupada /Akunonaktif rasio 10
6
, tegangan aktif 0 V, dan 1,2-V Vth shift setelah uji PBS 1 h. Pemisahan elemen In di saluran belakang lapisan IGZO yang diamati pada gambar TEM dan pemindaian EDS dapat menyebabkan Vth yang lebih besar pergeseran selama uji PBS karena teradsorpsi O2 dan H2 Molekul O yang bertindak sebagai perangkap seperti akseptor yang dapat menangkap elektron dari pita konduksi. Artikel ini menyajikan keuntungan dari teknologi pencetakan inkjet langsung dan menyelidiki sifat dielektrik untuk isolator oksida yang diproses dalam larutan yang digunakan dalam perangkat TFT oksida. Ini menunjukkan bahwa DP2-ZrO2 memiliki struktur yang lebih padat dengan kekosongan oksigen yang lebih sedikit, tetapi stabilitas yang buruk di bawah PBS disebabkan oleh difusi elemen. Teknologi direct inkjet-printing ini menjanjikan untuk diterapkan dalam produksi massal karena biayanya yang rendah dan kinerjanya yang tinggi setelah meningkatkan stabilitasnya.
