Solution-processed thin-film deposition methods can offer many advantages such as simplicity, low-cost, and high throughput that enable the fabrication of high-performance and low-cost electronics. In addition, Solution-processed deposition methods such as inkjet printing and imprinting, etc. offer the possibility of direct patterning of semiconductor thin films which could replace the conventional photolithographic technique. Therefore, solution-processed thin-film semiconductors can potentially enable low-cost thin-film transistor (TFT) manufacturing deposited/patterned using conventional low-cost solution technique.
ZnO is a non-toxic inorganic semiconductor which potentially offers large electron channel mobility, excellent environmental stability and high transparency. So far, the main processed to deposit crystalline ZnO layers for TFTs include vacuum-based deposition and solution based deposition. Vacuum deposition methods generally achieve higher TFT characteristics, however are not likely to be low-cost manufacturing process. Until now, most sol-gel processed ZnO channel layers have been deposited using substrate heating or subjected to post-thermal annealing to increase the crystallinity of the ZnO layer.
Our approach of the solution-processed ZnO thin-film semiconductors was through room temperature process of ZnO nanoparticle solutions with high-performance TFT characteristics.
We synthesized size and shape controlled ZnO nanoparticles using sonochemical methods according to the molarity difference. All ZnO solutions were well dispersed in methanol without a dispersant reagent. Especially, ZnO nanorods showed highly crystallinity with the strong (100) peak from the X-ray diffraction (XRD) results. This implies excellent alignment of the nanorods along the substrate, in contrast with other aligned ZnO growth, where the ZnO nanorods are oriented perpendicularly to the surface of the substrate. The mobilities of ZnO TFTs using ZnO nanoparticles were improved by a one order increase of particles size from 4 nm to 17 nm nanospheres. The increase in the mobility can originate from the reduced number of interparticle hopping events between the source and the drain electrode. Moreover, the nanorods form a well-aligned film preferring to crystal (100) orientation, which leads to achieve a high field effect mobility of 0.7 $cm^2$/Vs. This unexpected (100) alignment of nanorods might play a role in an increased mobility compared with that of nanospheres TFT since the direction of current flow will be along the long c-axis and the carriers will be significantly less affected by the grain boundary. Hence, we can obtain high mobility of ZnO nanorods TFT despite of its low process temperature.
Doping gallium (III) nitrate hydrate, we successfully synthesized Ga-doped ZnO at low-temperature. The resulted Ga-doped ZnO nanoparticles was reduced to 4nm with the increase in the gallium nitrate concentration up to 3 % conformed by the electron spectroscopy for chemical analysis (ESCA). Ga-doped ZnO nanospheres are non-hollow and highly crystalline. The field-effect mobilities of the 0.5 %, 1 % Ga-doped, and 3 % Ga-doped TFTs are 0.02, 0.036, 0.093 $cm^2$/Vs, respectively. The doped TFTs shows improvement in the mobility and the on-current compared to the less doped TFT. Since a smaller grain size will induce an increase in the number of grain boundaries and cause considerable grain boundary scattering, it finally deteriorates the field-effect mobility. Therefore, the relatively high field-effect mobility of $0.09cm^2$/Vs and on/off ratio of $1.06 \times 10^3$ are observed in the 3% Ga-doped TFT showing light stability improved.
To date, only a handful of inorganic materials have been ink-jet printed, because of the difficulty in preparing ink-jet printable inks. Here, we have developed a general and low-cost route to the ink-jet printing of transparent oxide semiconductors. Our process uses ZnO nanoparticles dispersed in water, a green solvent. This solution is capable of forming a uniform and continuous thin film over large area through both ink-jet printing and blanket-coating techniques. Field-effect mobilities of 0.11 $cm^2/Vs$ were achieved in the ZnO active channel using ZnO water inks. ZnO TFT device prepared by using $150^\circC$, enhanced the mobility of the TFTs which is $2.29cm^2$/Vs.
We have developed a low-temperature process on plastic substrate using a solution-processed ZnO channel layer. We used polycarbonate sheets (PC) sup plied by Teijin Co. as flexible substrates. All integration processes were kept below $120^\circC$. The extracted saturation mobility and current on-to-off ratio at $V_{DS}$ of 40 V for an unprotected, a patterned TFT device were ~ $10^{-4}cm^2/Vs$ and ~ $10^{-4}$ respectively.
최근 들어 높은 투과성, 무독성, 높은 안정성 그리고 높은 전도성으로 인하여 투명 전도성 산화물 (transparent conducting oxides)에 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중 산화아연 (ZnO)을 이용한 박막트랜지스터가 주목을 받고 있다. 기존의 진공방법을 이용한 산화아연박막을 성장하는 공정은 일반적으로 높은 반도체특성을 보이지만, 진공 장비로 인한 높은 가격이 문제시 되고 있다. 이를 개선하고자 최근 용액공정을 기반으로 산화 아연박막을 형성하는 연구가 진행되고 있다. 일반적인 졸-겔 (sol-gel)방법은 산화아연의 전구체 용액을 이용하여 잉크젯 프린팅 (inkjet printing), 스템핑 (stamping) 등의 방법을 이용하여 복잡한 포토리쏘그래피 (photolithodgraphy)를 이용하지 않고 패턴을 형성할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러나 전구체를 산화아연박막으로 형성하는데 일반적으로 300 도 이상의 온도에서 후처리 과정이 필수적이다. 이러한 높은 공정온도는 플라스틱 기판을 이용하는 플렉서블 전자소자의 경우 적용이 어렵다는 단점을 가지고 있다. 따라서 기존의 높은 공정온도의 문제점을 개선하고자 후처리 공정이 없는 저온공정용 나노입자 산화 아연에 관한 연구가 필요하다.
본 논문의 2장에서는 초음파합성법을 이용한 산화아연 나노입자의 합성 및 특성에 관해 다루었다. 나노입자의 모양 및 크기가 제어된 산화 아연 나노입자는 분산안정에 없이도 높은 분산 안정성을 보였다. 패턴된 Au 전극 위에 나노막대형 산화 아연 반도체 층을 스핀코팅의 방법으로 형성시켜 제작된 (bottom-contact) 산화 아연 박막 트랜지스터는 추가의 열처리 공정 없이도 $0.7cm^2 V^{-1}s^{-1}$의 이동도를 나타내었다. 이는 엑스선 회절법 (X-ray diffraction)을 통해 확인된 것처럼 산화 아연 나노막대가 기판에 평행한 방향으로 배열함으로써 높은 소자 성능을 나타내었다.
3장에서는 갈륨 (ga)이 도핑된 산화아연 나노입자의 합성과 이들의 박막 트랜지스터 특성을 보고하였다. 도핑양은 0.3 ~ 3 %로 조절하였으며 이는 전자분광법 (ESCA)를 이용하여 확인할 수 있었다. 또한 도핑양이 증가할수록 입자의 모양은 나노막대에서 4 nm의 나노구형으로 작아졌으며 낮은 결정성을 보였다. 갈륨 도핑된 산화아연 나노입자를 이용한 박막 트랜지스터는 $0.09cm^2 V^{-1}s^{-1}$의 이동도를 나타내었다. 특히 갈륨을 도핑으로 인한 밴드갭 (bandgap)의 증가로 빛에 대한 안정성이 향상된 소자특성을 나타내었다. 이러한 도핑에 의한 소자 특성 향상에 관한 본 연구는 빛 안정성을 향상시킨 고성능 용액 공정 산화아연 박막 트랜지스터를 구현하는데 효과적인 방법을 제시하였다.
4장에서는 용액공정 산화 아연 나노입자의 나노잉크의 제조와 잉크젯 프린팅으로 제작한 박막 트랜지스터의 특성을 다루었다. 50 nm 의 나노막대형 산화 아연은 분산안정에 없이도 우수한 분산특성을 나타내었다. 특히 PGMEA 및 물에 대해 높은 분산안정성을 나타내었으며 이를 이용한 산화 아연 나노잉크를 제조할 수 있었다. 친환경적인 수분산 나노잉크를 패턴된 Au 전극 위에 프린팅하여 반도체 층을 형성하였으며 $0.11cm^2 V^{-1}s^{-1}$의 이동도를 나타내었다. 또한 잉크젯으로 형성된 소자의 150 도 열처리를 통하여 $2.29cm^2 V^{-1}s^{-1}$의 향상된 결과를 얻었다.
5장에서는 산화 아연 나노입자의 응용에 관한 것으로 플라스틱 기판상의 소자구현 및 패시베이션 (passivation) 특성에 관해 다루었다. 폴리카보네이트 (PC) 기판 위에 유기절연막 (SS6908)을 사용하여 공정온도는 120도 이하에서 공정을 진행하였다. 제작된 기판상에 저온 용액공정 산화 아연 나노입자를 코팅한 후 습식 에칭(etch)하여 패턴된 반도체층을 형성할 수 있었다 (이동도:$10^{-4}$ cm^2 V^{-1}s^{-1}$). 또한 외부의 환경에 의한 소자특성 저하를 개선하기 위하여 실록산 (siloxane) 계열의 폴리머를 이용여 습식 패시베이션을 효과적으로 진행하였다. 낮은 공정 온도, 패터닝 그리고 패시배이션의 공정개선을 통해 산화아연 박막 트랜지스터를 구현하는데 효과적인 방법을 제시하였다.
