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Trocknungseffekte in gedruckten metalloxidischen Präkursorvorstufen und deren Einflüsse auf Morphologie, Schaltcharakteristik und Prozessierung von Dünnschichttransistoren

Meyer, Sebastian

In der vorliegenden Arbeit wird der Inkjet-Druck von molekularen Präkursorformulierungen für zukünftige Display-Produktionsprozesse evaluiert. Zuerst wird der Stabilitätseinfluss verschiedener organischer Lösungsmittel auf eine kommerziell erhältliche indium-basierte Oxo-Alkoholat Präkursorverbindung untersucht. Dabei können Designregeln für Hauptlösungsmittel und Co-Lösungsmittel definiert werden, die zu rheologisch stabilen Formulierungen führen. In Druckfenstergraphen können Bereiche aufgezeigt werden, in denen eine ideale Verarbeitung der jeweiligen Formulierung ohne Satellitentropfenbildung und maximaler Tropfengeschwindigkeit von >8 m/s garantiert ist. Im weiteren Verlauf werden die zuvor optimierten Funktionstinten in Einzeltropfen verdruckt und die daraus resultierenden Halbleiterdünnschichten in Transistor-Bauelementen elektrisch charakterisiert. Die aus der gemessenen Transferkennlinie der Bauelemente extrahierte Sättigungsbeweglichkeit der n-Typ Ladungsträger liegt bei 10 cm2/Vs. Im Rahmen der Entwicklung wird zudem festgestellt, wie stark Schichtbildungsphänomene bei der Trocknung der Halbleitervorstufe, die finalen elektrischen Eigenschaften der Halbleiterschicht bestimmen. Die bei einem starken Schichtdickenunterschied elektrisch gemessene Doppelcharakteristik im TFT (engl. Thin-Film Transistor) kann mit Hilfe eines Simulationsmodels und der Überlagerung unterschiedlicher Ladungs-trägerbeweglichkeiten und -konzentrationen erklärt werden. Während die Oberflächenrauheit der dünneren Plateau- und dickeren Ring-Schicht keine nennenswerten Unterschiede aufweist, kann in Letzterer, durch hochaufgelöste Transmissionselektronenspektroskopie im Schichtquerschnitt, eine nanokristalline Morphologie festgestellt werden. Es ist wahrscheinlich, dass die Verschlechterung der elektrischen Schichteigenschaften in diesem Bereich auf Streuprozesse der Ladungsträger an Grenzflächen- und Fallenzuständen in der Schicht zurückzuführen ist. Dünn getrocknete Halbleiterschichten mit einer Schichtdicke von 4 - 8 nm weisen eine hohe Ladungsträgerbweglichkeit auf und sind weitestgehend amorph. Letzteres kann anhand von direkter Elektronenbeugung durch SiNx-Fenster festgestellt werden. Es wird vermutet, dass der durch Sekundärionenmassenspektrometrie ermittelte und erhöhte Restanteil von Chlor-Verunreinigungen in dickeren Schichten, Einfluss auf die Morphologiebildung bei der Konvertierung der Oxidschicht hat. In industriellen Produktionsprozessen sollte die gedruckte Halbleiterschicht möglichst homogen mit einer Schichtdicke von 4 - 8 nm hergestellt werden. Durch Verlangsamung der Tropfentrocknung und durch Zugabe von Wasser, kann die inhomogene Trocknung im Einzeltropfen vollständig unterdrückt und zusätzlich eine erhöhte Druckauflösung mit einem Tropfendurchmesser im Mikrometerbereich erzeugt werden. Es wird vermutet, dass die zu beobachtende rückstandslose Durchmesserrekontraktion der Tropfen bei der Trocknung auf einen induzierten Marangoni-Fluss und auf reduzierte Präkursor-Substrat Wechselwirkung zurückzuführen ist. Die daraus resultierenden Bauelemente weisen schlechte elektrische Eigenschaften auf, welche wiederum auf eine zu dicke Halbleiterschicht und eine nanokristalline Morphologie zurückgeführt werden können. Durch eine UV-Ozon Behandlung während des Trocknungsvorganges können münzenähnliche Halbleiterflächen mit einer homogenen Schichtdicke von 4 nm gedruckt werden. Die so hergestellten Schichten sind vollständig amorph und lassen sich in BCE (engl. Back Channel Etch) Bauelement-Konfiguration verarbeiten. Der hier entwickelte Prozess zur homogenen Verarbeitung von gedruckten metalloxidischen Halbleiterfilmen hat deshalb nicht nur Vorteile in Bezug auf die elektrischen Eigenschaften der Dünnschicht, sondern auch auf die weitere Prozessierung in Top-Kontakt Konfiguration. Der BCE Aufbau ermöglicht eine weitere Vereinfachung bei der Herstellung von TFT-Rückwandplatinen und wird zum ersten Mal in Kombination mit einem gedruckten Halbleiterfilm realisiert.

In this thesis the inkjet printing of molecular precursor formulations is evaluated for future display production processes. First, the stability influence of various organic solvents on a commercially available indium-based oxo-alkoxide compound is investigated. Design rules for main solvents and co-solvents can be defined which lead to rheologically stable formulations. Areas can be defined in print window graphs, in which an ideal processing of the respective formulation without satellite drop formation and maximum drop velocity of >8 m/s is guaranteed. In the second step, the previously optimized functional inks are further processed and resulting semiconducting thin-films are characterized in thin-film transistor devices. The saturation mobility of the n-type charge carriers is typically 10 cm2/Vs and is extracted from the measured transfer characteristics of the devices. In the context of the development, it is determined, how strongly drying phenomena can influence the layer-formation and the final electrical properties of the devices. The double characteristic observed during electrical characterization, can be explained with the help of a simulation model and the superimposition of different charge carrier mobilities and concentrations in the thin-film transistor channel region. While the surface roughness of the drops in the thinner plateau and the thicker ring layer does not differ significantly, in the latter case, a nanocrystalline semiconductor morphology can be observed by high-resolution transmission electron spectroscopy in the layer cross-section. It is probable that the deterioration of the electrical layer properties in this volume is attributable to scattering processes of the charge carriers at interface- and trap states in the layer. Thinly dried semiconductor layers with 4 - 8 nm thickness have a high charge carrier mobility and are fully amorphous. The latter can be determined by means of direct electron diffraction through SiNx- windows. It is assumed that the residual amount of chlorine impurities in thicker layers, determined by time of flight secondary ion mass spectrometry, has an in- fluence on the morphology formation during the conversion of the oxide layer. By increasing the drying time and the addition of water to the formulations, the inhomogeneous drying is completely prevented and additionally an increased printing resolution with a drop diameter of a few microns can be achieved. It is assumed, that the observed residue-free diameter shrinkage of the droplets during drying, is attributed to an induced Marangoni flow and reduced precursor-substrate interaction. The resulting TFT devices have poor electrical properties, which in turn can be attributed to a thick layer with an nanocrystaline semiconductor morphology. By an UV-ozone treatment during the drying process, semiconducting layers can be printed with a coin-like homogeneous layer thickness of 4 nm. The resulting layers are fully amorphous and can be processed in back channel etch thin-film transistor device configuration. The process developed here therefore has advantages not only with regard to the morphological and electrical properties of the thin film but also with the further processing in top contact thin-film transistor geometry. The BCE configuration allows a further simplification in the TFT array process and is shown for the first time in combination with a printed semiconducting film.

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Meyer, Sebastian: Trocknungseffekte in gedruckten metalloxidischen Präkursorvorstufen und deren Einflüsse auf Morphologie, Schaltcharakteristik und Prozessierung von Dünnschichttransistoren. 2018.

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