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第十九章：柔性与印刷电子
摘要：本文阐述了对柔性电子器件过去二十年进行的重大改进。薄膜晶体管（TFT）背板是英国的通用组件有源矩阵电子表面。已经有TFT背板技术主要为柔性电子应用而开发，主要分类为（a）氢化非晶硅TFT，（b）低温多晶硅TFT，（c）氧化物TFT和（d）有机TFT。 TFT制造通常涉及设备层之间的准确注册。减轻错位处理柔性衬底引起的问题，沉积的内置应力薄膜和器件层和衬底之间的不匹配应变，用于直接制造和转移的层压 - 剥离或涂层（沉积） - 释放方法技术得到发展。为了进一步降低制造成本和改善吞吐量，卷对卷兼容和可打印的过程被采用。凹板印刷，胶版印刷和柔性版印刷是常用的接触打印技术。微接触印刷，纳米压印和转印正在出现的印刷方法，这对灵活性特别感兴趣电子基于无机单晶半导体。非接触式印刷方法，如丝网印刷，喷墨印刷和狭缝式印刷也有被广泛研究用于制造柔性电子器件。取决于印刷品的作用，印刷过程可分为两种：减法和加法。减色印刷工艺类似于传统的光刻工艺，除了蚀刻掩模材料由a应用打印方法。在添加印刷过程中，材料浪费很大通过功能性材料的直接“书写”而减少。
19.1简介
柔性电子技术在过去二十年中得到迅速发展。刚性的约束，导致创新和多样化电子系统和/或产品设计。今天商用柔性电子产品如曲面显示器，柔性RFID标签，柔性太阳能电池，柔性薄膜等电池，可在我们的日常生活中使用。拥有薄型外形的特点，这种技术对假肢或机器人应用的人造皮肤[1]和用于医疗应用的可穿戴传感器[2]也具有吸引力。通用的柔性电子表面由（a）柔性衬底，（b）背板电子器件，（c）前平面和（d）封装。这是常见的通过两种方法实现：（a）直接在a上制造电子器件柔性基底，自下而上的方法，和（b）转移和粘结完成电子元件到柔性基板上。这些功能材料可以真空沉积或溶液处理。为了降低制造成本和提高产量，柔性电子产品的发展正在逐步向卷对卷兼容甚至可印刷的过程发展。随着进步在技术上，柔性电子器件的特性也从固定的改善弯曲成可弯曲，然后朝着可卷曲，可折叠，甚至可拉伸的方向移动。在本章中，重点是灵活的薄膜晶体管背板技术和印刷技术用于柔性电子应用。
19.2柔性薄膜晶体管背板技术
薄膜晶体管（TFT）是用于有源矩阵电子表面的通用开关或驱动器件。他们的操作原理与其非常相似传统的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），在源电极和漏电极之间流动的电流可以通过栅电极的电位来调制。但是，导电通道在MOSFET中的形成是基于反转的，而在TFT中则是基于反转的积累。因此，对于增强型TFT，使用本征半导体层作为激活通道，以确保通道在不存在时为OFF状态偏压施加到栅电极。与MOSFET类似，TFT性能可以根据传输特性（IDS vs. VGS）和输出进行评估IDS，VGS和VDS作为漏源电流，栅源电压和漏源电压的特性（IDS和VDS）。重要的电气参数包括：阈值电压（VTH），场效应迁移率（mu;FE），开关电流比（开/关）和亚阈值摆动（S.S.）。当VTH代表VGS时导电沟道层被形成。 mu;FE是VGS的一项功能，用于描述速度通道中的载体运输。 ON / OFF通常定义为传输曲线中最大IDS与最小IDS的比值。 S.S.，一种切换指标速度被定义为将IDS增加十年所需的VGS
根据活跃渠道的材料类型，主要TFT技术可以分类为a）氢化非晶硅TFT，b）低温多晶硅TFT，c）氧化物TFT，以及d）有机TFT。这些的比较表19.1列出了TFT技术。其中，低温多晶硅线硅TFT表现出最佳的电性能，并且能够实现复杂的金属氧化物半导体（CMOS）操作，但是不均匀性而高制造成本仍然是挑战。另一方面，制造业氢化非晶硅TFT的成本很低，但器件受其影响载流子迁移率低，电稳定性差。氧化物TFT具有相对高的场效应迁移率与氢化非晶硅TFTs相比也可以在低温下加工，但是它们的长期责任要求进一步的调查。有机TFT在机械灵活性和制造工艺方面自然与柔性聚合物基板兼容，但是他们的环境和电力不稳定仍然是一个问题。TFT的性能也高度依赖于其配置和栅极介质。图19.1显示了最常用的TFT配置。在一个交错配置的源极和漏极位于相反的位置导电沟道的一侧，其形成在栅极之间的界面处绝缘体和半导体层，而它们处于共面配置同一面。以氮化硅为交错底栅结构栅极电介质通常用于氢化非晶硅TFT中，以氧化硅作为栅介质的共面顶栅配置广泛应用于低温多晶硅TFT。多数的由于易于使用光刻技术对底栅进行构图，所以有机TFT采用底栅结构构造，交错或共面结构，以及在栅介质上沉积活性材料[4]。对于氧化物TFT，所有这些已经采用四种配置。
表19.1各种TFT技术的比较。 经许可转载[3]。 版权所有2012 John Wiley and Sons
|
TFT属性 |
氧化半导体 |
非晶硅 |
低-T多晶硅 |
有机半导体 |
|
运营商流动性[平方厘米V-1秒-1] |
1-100 |
1最大 |
50-100 |
0.1-10 |
|
切换[V dec-1] |
0.1-0.6 |
0.4-0.5 |
0.2-0.3 |
0.1-1.0 |
|
漏电流[A] a |
10*-13 |
〜10*-12 |
〜10*-12 |
〜10*-12 |
|
制造成本低低高低 |
低 |
低 |
高 |
低 |
|
长期的TFT可靠性 |
高（预测） |
低 |
高 |
空气中低 |
|
产量 |
高 |
高 |
中 |
高 |
|
过程温度[℃] |
RT至350 |
〜250 |
lt;500 |
RT |
高度依赖于电介质
图19.1根据位置，最常用的TFT配置示意图，相对于半导体有源区而言，与栅极电极和源极 - 漏极电极相对渠道。 转载[3]许可。 版权所有2012 John Wiley and Sons
19.2.1氢化非晶硅TFT
氢化非晶硅（a-Si：H）TFT技术是目前的工业标准背板技术适用于大尺寸平板显示器。 SiNx：H可以在衬底温度下沉积栅极电介质和a-Si：H有源沟道通过等离子体增强化学气相沉积lt;250℃。由于低加工温度，可以直接制作各种类型的a-Si：H TFT箔基材，如超薄柔性玻璃箔[5,6]，不锈钢金属箔[7-10]和聚合物箔[11-13]。
机械应力和应变对电气性能的影响灵活的a-Si：H TFTs已被广泛研究[14-16]。如图19.2所示，在低应变状态下，电子场效应迁移率降低并增强TFT分别承受压缩应变和拉伸应变。一般来说，归一化的场效应迁移率与所施加的机械成线性地成比例应变。然而，在高应变状态下，由于破裂可能会发生TFT故障（压缩）应变下的器件层（屈曲），如图所示图19.3。具有SiNx：H的a-Si：H TFT的失效拉伸应变和压缩应变门电介质分别为〜0.5％和2％[17]。如果可以提高到〜5％SiNx：H被弹性绝缘体取代[18]。
图19.2 a-Si：H TFT的归一化电子场效应迁移率作为应变的函数绘制。空符号和全符号对应于弯曲方向平行和垂直的TFT到源极 - 漏极电流路径。 转载许可[14]。 版权2004 Elsevier
图19.3（a）箔上的薄膜结构弯曲成圆柱形滚。 （b）a。的SEM照片之后失败的a-Si：H TFT
向外弯曲。 TFT失败了R = 2毫米。 转载许可[17]。 版权1999 AIPPublishing LLC
19.2.2低温多晶硅TFT
多晶硅薄膜可以通过直接沉积在高温下获得衬底温度gt; 500°C或通过非晶化结晶硅前体薄膜使用各种技术，例如固相结晶，金属诱导的横向结晶或激光结晶。其中他们低温多晶硅（LTPS），主要是指通过今天的激光退火实现的晶化，是一种成熟的背板技术，适用于小型尺寸面板，并已广泛用于制造柔性电子产品。在里面LTPS技术，一种等离子体增强化学气相沉积非晶硅通常使用薄膜作为前体膜。因为如同沉积的非晶硅薄膜通常含有高达10％的氢，脱氢过程等以小功率密度进行热退火和/或激光照射提前确保氢含量小于3％，以便在此期间进行薄膜烧蚀可避免以下用于结晶的准分子激光退火工艺[19]。在脉冲准分子激光退火中，最极端的加热被限制在由于准分子激光的持续时间短，样品的近表面区域，大约20-50ns，并且Si薄膜的吸收系数高，约106在紫外线区域。图19.4显示了一个瞬态热计算
入射XeCl激光脉冲在由Si和SiO2缓冲层组成的薄膜叠层上塑料基材。 由于加热和制冷周期短，总量很小整合与一个脉冲相关联的能量，当适当的热绝缘缓冲层例如SiO 2层时，可以避免对塑料衬底的损害下面介绍Si薄膜[20]。
图19.4大约35ns的事件XeCl激光脉冲的瞬态热计算半高全宽（FWHM）（虚线 - 计算中使用的实际时间轮廓）在由175nm聚酯上的500nm SiO 2上的100nm Si组成的薄膜叠层上。激光注量为450mJ / cm2。转载[20]许可。版权1997 AIP PublishingLLC
图19.5变化平均晶粒半径在激光器上结晶Si膜能量密度。转载获得许可[21]。 版权1993 AIP
Publishing LLC
LTPS的晶粒尺寸和载流子迁移率受到很大影响准分子激光退火工艺的细节。考虑到单脉冲准分子激光退火，在低能量密度的情况下（超过能量密度阈值）结晶）发生Si前体膜的部分熔融并且小随着入射能量的增加，观察到晶粒尺寸的逐渐增加密度，如图19.5所示。当前体膜几乎完全熔化时，所谓的超边长生长机制，最高晶粒尺寸和平均晶粒半径约等于膜厚[21,22]。随着进一步增加激光能量，被称为完全熔化状态，自发形核发生并导致具有非常小的尺寸的颗粒。Im等人已经开发出晶粒比LTPS更长的LTPS技术通过顺序横向凝固的单脉冲诱导的横向生长距离[23]，如图19.6所示。它涉及（a）诱导选定的完全融化（b）精确地通过经图案化掩模的照射进行膜的区域控制样品相对于掩模的脉冲间微转化在短于单脉冲侧向凝固距离的距离上，因此横向增长可以延伸多个迭代步骤。通过采用这一点方法，他们成功地演示了场效应迁移率gt; 500 cm2 V-1 s-1的单晶硅TFTV [24]。
关于柔性LTPS TFT性能的机械效应，各个研究组报告了不同的结果。 Kuo等人有发现电子迁移率增加了20％，而空穴迁移率则增加了20％当不锈钢箔LTPS TFT经受a时，其降低6％机械拉伸染色0.5％，如图19.7所示。流动性的变化随着应变进一步增加而饱和[25]。Peng等人观察到不锈钢p沟道LTPS薄膜晶体管在0℃时的空穴迁移率增加了7％和3.5％压缩和拉伸应变分别为0.1％，如图19.8所示[26]。在超薄玻璃箔上的负偏置温度不稳定性退化。Lin报道了在机械拉伸应力下的p沟道LTPS TFT等人。 [27]。 Kim等人显示塑料p沟道LTPS的性能没有变化。TFT在拉伸和压缩应变下，如图19.9所示[28]。
图19.6 SEM硅薄膜的显微照片定向结晶使用顺序横向凝固处理。 转载许可[23]。 版权1996 AIPPublishing LLC
图19.7标准化不锈钢的流动性钢箔n通道和p沟道LTPS TFT（不包括的影响寄生串联电阻）
作为拉伸应变的函数与...平行渠道。 转载许可[25]。 版权所有2007 AIPPublishing LLC
19.2.3氧化物TFT
近年来，n沟道氧化物TFT引起了极大的关注大面积电子应用，因为它们具有与当前工业标准a-Si：H TFT相当的卓越性能，在可见光区域具有高光学透明性，并且与低温工艺兼容。特别是，铟镓锌（IGZO）氧化物TFT已被应用于当今商业产品的大规模工业生产中，如图19.10所示。氧化物TFT的最初尝试可以追溯到20世纪60年代。 Klasens等人报道1964年的SnO2 TFT [30]和Boesen等人[展示了具有单晶的TFT1968年ZnO活性通道[31]。然而，由于报道的性能差，从那时起氧化物TFT并没有引起足够的关注。 ZnO的示范Hoffman等人，Carcia等人于2003年发表了具有良好性能的TFT。和增田等人。重新开放了氧化物TFT的发展之门[3]。而大部分的研究工作集中在二元氧化物TFT上，Nomura et al。报道基于a。的TFT单晶四元氧化物，IGZO [32]。后来他们进一步证明透明的柔性非晶IGZO TFTs [33,34]，如图19.11所示室温过程。由于氧化物半导体中的导带边缘主要由空间扩展的金属ns轨道组成，在无定形氧化物中可能有退化的能
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