关键词：表面能诱导定向组装、保真度、薄膜晶体管、溶液法加工

   近日，高端装备界面科学与技术全国重点实验室路新春教授团队柴智敏副教授在基于表面能诱导定向组装的电子器件微纳制造领域取得进展。相关成果以“All-Solution-Processed Electronics with Sub-Microscale Resolution and Nanoscale Fidelity Fabricated Via a Humidity Controlled, Surface Energy-Directed Assembly Process”为题发表在ACS Nano期刊上。论文提出一种基于湿度控制的surface energy-directed assembly (SEDA) 工艺，全溶液制备了亚微米级分辨率、纳米级边缘粗糙度的电子器件，为微纳制造开辟了一条高分辨率、高精度和低成本的新路径。

导读

金属氧化物薄膜晶体管（TFTs）因其在显示技术、逻辑门电路、固态存储器、微处理器和神经形态设备等多种电子应用中的潜力而受到产业界和学术界的广泛关注。然而，传统的金属氧化物TFTs制造工艺依赖于高成本的真空薄膜沉积、光刻等技术，限制了其在大面积和低成本应用中的普及。为解决这一问题，研究者们一直在探索基于溶液的制造工艺，这类工艺具有成本效益高、设备简单且无需真空环境等优势。尽管如此，溶液法制造工艺在实现高分辨率和高图案保真度方面仍面临挑战。表面能诱导定向组装（SEDA）工艺是一种利用基底表面能量差异来引导溶液组装的技术，已被成功应用于金属氧化物图案的加工。然而，在以往研究工作中，SEDA工艺制造的图案通常局限于微米级尺寸，且在保真度方面存在不足，这限制了其在更精细电子器件制造中的应用。此外，SEDA工艺先前主要被用于单层加工，这意味着其在多层电子器件制造中的潜力尚未得到充分利用。

本研究中提出的SEDA工艺取得了显著进展，成功突破了上述限制。通过精细调控环境湿度，显著提高了图案的分辨率和保真度，实现了800 nm的分辨率和16 nm的线边缘粗糙度（LER），图形边缘粗糙度优于目前印刷电子加工工艺两个数量级。此外，通过优化SEDA工艺，研究人员不仅在单层金属氧化物图案加工上取得了成功，还进一步扩展到了多层器件的加工，包括使用氧化铟（In₂O₃）作为半导体沟道、氧化铟锡（ITO）作为源/漏极和栅极、以及氧化铝（Al₂O₃）作为介电层的全溶液加工TFTs制造。

图1 基于SEDA工艺制造高分辨率和高保真度金属氧化物图案

研究发现SEDA过程中，液滴干燥时的环境湿度严重影响了图案的保真度。在低湿度条件下，溶剂蒸发可以形成良好的“咖啡环”效应，有助于在液滴边缘积累更多的溶质，从而形成清晰、高保真的图案。在高湿度条件下，液滴表面会发生水分凝结，这会增加液滴的表面张力。表面张力的增加会影响液滴边缘固体-液体-气体三相接触线（TPCL）的固定，导致液滴边缘的收缩，从而影响图案完整性。

图2 相对湿度对SEDA工艺图案保真度的影响

研究人员利用SEDA工艺在低湿度条件下成功制备了半导体In₂O₃、绝缘Al₂O₃ 和导电ITO图案。利用高掺杂硅和氧化硅作为栅极和介电层，构建了基于In₂O₃ 的底栅、顶接触TFT，其场效应迁移率和开关比分别高达28.5 cm² V⁻¹ s⁻¹和109，与通过溅射工艺制造的商用氧化物 TFT性能相当。Al₂O₃图案显示出优异的介电特性，其拥有214 nF cm^-2的高等效电容和1.3 × 10^-7 A cm^-2的低漏电流密度。ITO 图形的电阻率为1.9 × 10^-3 Ω cm，显著低于同类型研究的结果。

图3 半导体 In₂O₃、绝缘Al₂O₃ 和导电 ITO 图案的电学特性、组成和微观结构

进一步，研究人员使用In₂O₃作为通道层、ITO作为源/漏极和栅极、以及Al₂O₃作为介电层首次实现了全溶液加工TFT。TFT表现出良好的电学性能（迁移率为6.3 cm² V⁻¹ s⁻¹，开关比为6.5 × 10⁶，阈值电压为1.76 V，亚阈值摆幅为0.34 V/decade），以及良好的电学稳定性。在正偏压应力测试中，阈值电压的正向偏移仅为0.44 V。通过SEDA工艺制造的TFTs在大面积上展现出了良好的性能一致性，对于实现高产量和可靠性的电子器件生产具有重要意义。使用全溶液加工的TFTs作为构建单元，成功构建了包括非门（NOT）、或非门（NOR）、与非门（NAND）和与门（AND）在内的各种逻辑门电路，并且这些电路能够产生预期的所有输入组合的输出电压，展示了SEDA工艺在微纳制造中的无限潜力。

图4 全溶液加工金属氧化物TFT的制造和表征

图5 使用SEDA工艺制造的全氧化物TFT逻辑门电路

控制SEDA工艺中的湿度，能够有效避免图案收缩失真，形成边缘锐利的金属氧化物图案。该工艺有望扩展到其他先进的纳米材料，包括碳纳米管、二维材料（如 MoS₂）、量子点等，这将极大丰富其应用范围，有望替代现有微纳制造技术从而大幅度降低生产成本，为复杂的集成电路和三维集成电子设备的开发提供新的可能性。

论文作者

清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室张经纬、王广基为论文共同第一作者，柴智敏副教授为论文的通讯作者。该工作得到国家自然科学基金青年项目等众多项目经费支持。

DOI：10.1021/acsnano.4c04936