喷墨打印网格电极在薄膜晶体管器件中的应用研究

张佳明 史恺 李旭 陆璐 沈兆伟 汪安奇 王智恒

摘要：随着电子设备高速发展，喷墨打印技术逐步成为了电子器件制备的关键工艺。不同电子器件对图案化成膜的要求不一样。目前，成熟的图案化制备工艺为光刻技术。但光刻工艺需要反复套刻、显影、腐蚀等多个繁琐的步骤，且存在制备材料浪费、环境不友好等问题。基于喷墨打印技术，无论在衬底选择性、图案化设计灵活性、工艺简化性等均具备了一定的优势。而且，打印材料选择性较为广泛，有机半导体、无机半导体、金属粒子都可以实现图案化制备，在光发射二极管、薄膜晶体管等电子器件中，都可以发挥其工艺优势，本论文针对喷墨打印制备的工艺，对新型打印技术制备薄膜晶体管的结构设计和优势进行了介绍，最后对喷墨打印网格电极在薄膜晶体管中的应用进行了探讨。

关键词：喷墨打印;电极;薄膜晶体管

0 引言

如今，随着电子设备日新月异的发展，对器件中半导体层和金属层的图案化设计也是花样繁多。给光刻工艺提出了很大的挑战，在前期探索过程中，掩膜版的固定化限制了图案化薄膜的多样性设计。其次，反复套刻技术为多层结构的设计形成了一定阻碍。所以，关注热点转移到高精的喷墨打印技术制备光电器件，用来替代成熟的光刻技术。针对驱动显示领域，目前可以实现用喷墨打印技术制备薄膜晶体管器件（TFT）[1]。在栅极和绝缘层衬底上通过喷墨打印技术制备金属氧化物或有机半导体有源层结构，然后再制备源漏电极，形成基于喷墨打印方法制备的TFT器件。

1 喷墨打印薄膜晶体管结构设计与优势

在1960年，贝尔实验室Kahng等组员成功制备了第一个硅基的金属/氧化物/半导体晶体管器件[2]。通过器件中有源层材料的不断变化，从硅基晶体管逐步发展到如今的有机晶体管和金属氧化物晶体管[3]。通过光刻技术实现了不同有源层、绝缘层、电极的结构设计[4]。

针对基于印刷技术制备TFT器件，底栅极顶接触结构更利于打印工艺。在制备好的底栅极和绝缘层上，可直接精密打印图案化的有源层结构，最后打印顶接触的源、漏电极，从而完成印刷TFT器件的整体制备工艺。目前，成熟的印刷技术制备的TFT器件主要选择硅和热氧化的二氧化硅作为底栅极和绝缘层，选取铟镓锌氧作为有源层的打印墨水，通过微米喷墨打印技术，在二氧化硅表面形成图案化的有源层结构。最后，在有源层结构上喷墨打印制备源、漏电极，且电极间的距离可以通过打印间距的设置进行调控。

2 喷墨打印网格电极在薄膜晶体管中的应用

如果满足当前对TFT器件应具备柔性和光透过性的需求，我们就没有办法选择硅作为底栅极来制备透明或半透明的TFT器件。这就需要选择光透过率较高的电极作为TFT的底栅电极，例如传统的金属氧化物透明导电薄膜、金属纳米线、碳纳米管、金属网格电极等[5]。综合制备工艺和光电性能，较为理想的底栅极的选择应为金属网格电极。目前，金属网格电极的制备主要为压印法和刻蚀法，但由于工艺繁琐、材料浪费等原因限制了这两种方法制备金属网格电极。所以，结合喷墨打印技术制备间距可调的金属网格电极既可简化工序，又可以实现柔性加工的需求。

首先，将银纳米粒子溶液作为打印墨水在柔性衬底上精密打印形成金属网格结构，根据平衡网格电极的光透过率和导电性两个参数的依赖关系，设计电极中打印线条的宽度和间距，通过退火固化形成导电性能良好的透明电极。其次，使用蒸镀或溶胶凝胶方法在金属网格电极上制备绝缘层材料。在绝缘层上通过使用喷墨打印技术，形成图案化的有源层结构。最后，使用银纳米粒子墨水打印源、漏电极用于TFT器件性能的测试。喷墨打印网格电极作为栅极在TFT器件中的应用，不但可以大幅度提高电子的注入效率，而且可实现TFT器件的透明化，为TFT器件在光电子设备中的应用提供了更多可能性。

3 总结

随着当代电子设备突飞猛进的更新换代，喷墨打印技术对电子元器件制备的推动受到了广泛的关注。针对薄膜晶体管器件对不同图案化结构设计的需求，喷墨打印技术满足了工艺简单、制备成本低、可柔性加工的需求。其中，喷墨打印制备的网格电极优异的光透过率和导电性能具备了很好的应用价值。本论文针喷墨打印薄膜晶体管的制备工艺，对其结构设计与优势进行了介绍，对喷墨打印网格电极在薄膜晶体管中的应用进行了讨论，为喷墨打印工艺制备光电器件领域提供一定的借鉴。

参考文献：

[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：张佳明，男，现就读于吉林建筑大学电气与计算机学院。