米乐m6官方网站[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）柔性电子研究中心[研究中心主任 Toshihide Kamata] 柔性材料基础设施团队首席研究员 Junya Tsutsumi、同一研究中心首席研究员 Tatsuo Hasekawa 和 AIST 技术人员松冈聪（兼）筑波大学数学与材料科学研究生院，博士生，AIST 独立开发薄膜晶体管（TFT）电荷的栅极调制成像技术的空间分辨率波长从810 nm增加到430 nm，时间分辨率从3 µs显着提高到50 ns。有了这项技术，多晶半导体中晶界附近电荷的不均匀分布。以及晶界抑制导电的方式。
为了使显示器和传感设备等信息输入/输出设备更大、更轻、更灵活，以及简化和节省制造过程中的能源，使用多晶半导体薄膜提高TFT的性能已成为一个问题。多晶半导体的一个问题是由晶界引起的不均匀结构导致性能下降。这次，我们提高了栅极调制成像的空间和时间分辨率，可以可视化TFT中积累的电荷，可视化多晶半导体中晶界引起的微米级不均匀电荷分布，以及以50纳秒的时间分辨率捕获晶界附近的电导。作为一种可以可视化多晶半导体内导电的技术，这一结果预计将大大有助于提高 TFT 的特性和质量。
此结果的详细信息可在美国科学期刊上找到应用物理学杂志，第 123 卷，135301 (2018)和已应用物理审查，第 9 卷，024025 (2018)
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可视化多晶半导体中不均匀电荷分布的技术
转载自 J Appl。物理。 123, 135301 (2018) 经 AIP Publishing 许可。 |
TFT，负责控制电子设备的开关，是控制所有电子设备所必需的基本器件，并以多种形式使用。尤其是近几年物联网 (IoT)随着信息处理需求的不断增长，人们强烈要求显示器、传感设备等信息输入/输出设备面积更大、重量更轻、更灵活，制造工艺更简单、更节能。为此，使用适合简化制造工艺的多晶半导体薄膜是有效的，挑战在于开发使用它们的TFT、提高其性能并建立制造技术。然而，由于多晶半导体薄膜由无数微晶组成且不均匀，因此担心其可能会劣化器件的操作性能并对器件性能的再现性产生不利影响。因此，有必要研究晶界对导电的影响，并需要新的评估技术。
AIST 是印刷电子产品作为我们旨在技术实际应用的研究的一部分，我们一直在开发使用印刷方法制造信息输入/输出设备的技术和用于提高质量的设备评估技术。特别是，为了提高作为信息输入/输出设备基础的TFT的质量，我们重点开发了可以可视化和评估TFT驱动状态的栅极调制成像技术。 2018年1月，我们报道过该技术可以显着加速并扩大面积，从而可以对数百万个TFT排列成阵列的信息输入/输出设备的驱动电路进行无损在线检查。这次，我们致力于提高栅极调制成像技术的空间和时间分辨率，以便在微米尺度上捕获TFT器件内的导电情况，并阐明晶界等不均匀性对器件特性的影响。
请注意，本次开发的部分内容得到了日本学术振兴会科学研究补助金 (A)（研究项目编号：16H05976）和国家研究开发机构的支持。该项目得到了日本科学技术振兴机构战略创新创造促进计划（S-Innove）研发主题“基于有机材料的新型电子技术的开发”下的研究项目“使用新型高性能聚合物半导体材料和印刷工艺开发基于AM-TFT的柔性显示器”的支持。
图1显示了栅极调制成像装置的轮廓。当电压施加到TFT的栅极时，半导体层中积累的电荷导致光反射率/透射率变化非常轻微（~001%）。在施加栅极电压（驱动状态）和不施加栅极电压（停止状态）的情况下拍摄光学图像，并通过图像计算确定两者之间的差异图像。重复此操作并对差异图像进行积分以获得微小的图像变化（门调制图像）。这次很贵数值孔径（不适用= 095)的物镜，并使用波长为670 nm的入射光获得了约430 nm的空间分辨率。此外，为了防止TFT因大气环境而劣化，我们引入了一种用对入射光透明的聚合物薄膜密封TFT的方法。由此，即使是在大气中不稳定的半导体，也可以使用高数值孔径物镜，从透镜的正面到样品表面的距离（工作距离）极短（本次使用的物镜的工作距离为02mm）进行测量。
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图1(a)栅极调制成像装置的轮廓和(b)测量程序
转载自《Phys》修订版应用程序。 9, 024025 (2018) 经 APS 许可。 |
图2是并五苯多晶薄膜的 TFT 的光学显微镜图像。在半导体层和相应的栅极调制图像中。将施加栅极电压到拍摄TFT驱动状态图像之间的延迟时间以及从关闭栅极电压到拍摄TFT停止状态图像的延迟时间（见图1b）设置得足够长，并在驱动状态和停止状态下TFT内部的电荷分布达到稳定状态后测量栅极调制图像。在栅极调制图像中，正（红色）和负（蓝色）栅极调制信号的分布不均匀，并且与微晶的形状相关。注意，通过根据光学显微镜图像确定的反射率对栅极调制信号进行归一化，以排除薄膜表面的不平坦对栅极调制信号的影响。
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图2 使用并五苯多晶薄膜作为半导体的TFT的光学显微镜图像（左）和栅极调制图像（右）
用670 nm的探测光波长测量门调制图像
转载自 J Appl。物理。 123, 135301 (2018) 经 AIP Publishing 许可。 |
为了弄清楚正负栅极调制信号的来源，我们通过改变每个位置的入射光波长来测量栅极调制信号（图 3）。在获得负信号的位置（图3中的区域B），观察到栅极调制信号的光谱类似于吸收光谱的二阶导数，表明电荷已在半导体层中积累。另一方面，在获得正信号的位置（图3中的区域A），观察到形状像一阶微分的频谱，表明栅极电场正在泄漏到半导体层中。未观察到类似于二阶微分的形状的事实表明累积电荷的密度低，因此认为栅极电场已泄漏而没有被屏蔽。以往，认为在半导体层中均匀蓄积电荷的理想的TFT中，栅极电场被电荷屏蔽而不会泄漏。这次，通过高空间分辨率的测量，我们发现由于多晶半导体的不均匀结构，电荷分布明显不均匀。此外，光学显微镜图像和栅极调制图像之间的比较表明，晶界附近部分的电荷密度相对高于微晶内部的电荷密度。由于晶界具有阻碍电荷流动的作用，因此认为电荷被捕获并且电荷密度变高。
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图3 栅极调制图像的区域A和区域B中栅极调制信号的入射光波长依赖性
左下为各区域电荷累积状态示意图
转载自 J Appl。物理。 123, 135301 (2018) 经 AIP Publishing 许可。 |
可以拍摄纳秒级的快照图像增强器图 4 显示了以 100 纳秒时间分辨率测量的栅极调制图像的时间变化。施加栅极电压后，电荷立即从源电极流入半导体层，并且观察到电荷随着时间的推移向漏电极扩散。电荷扩散的距离与经过时间的平方根成正比，表明电荷以扩散方式进行。详细分析表明，电荷的流动暂时被晶界和微晶内部的电荷陷阱阻挡。这是晶界和电荷陷阱抑制导电的首次直接观察。
通过利用新开发技术的特点，我们将继续将其应用于各种设备，不仅包括TFT，还包括太阳能电池和二次电池。
国立产业技术综合研究所
柔性电子研究中心柔性材料研究团队
首席研究员 Junya Tsutsumi 电子邮件：junyatsutsumi*aistgojp（发送前请将 * 更改为 @。）