摘要：本文聚焦溶液印刷工艺制备薄膜晶体管（TFT）技术，综述了近年来印刷TFT材料与器件研究成果。TFT是平板显示器件的核心共性技术，决定了平板显示器的显示效果与质量。针对TFT材料及工艺，分别介绍可印刷的导电材料、半导体材料和绝缘层材料，以及印刷制备TFT技术的发

本文聚焦溶液印刷工艺制备薄膜晶体管（TFT）技术，综述了近年来印刷TFT材料与器件研究成果。TFT是平板显示器件的核心共性技术，决定了平板显示器的显示效果与质量。针对TFT材料及工艺，分别介绍可印刷的导电材料、半导体材料和绝缘层材料，以及印刷制备TFT技术的发展现状。要实现印刷TFT技术的商业应用，还面临着诸如可印刷的高性能墨水材料开发、高均匀性薄膜印刷沉积工艺、较低的接触电阻、印刷 TFT 集成制备技术，以及如何实现印刷TFT在偏压、光辐照、温度等条件下的长期稳定性等问题。提出了随着新材料的进一步开发和印刷技术的发展，印刷技术将为实现低成本制造TFT提供一条有前景的途径。

目录

1 可印刷电极墨水材料与工艺

1.1 可印刷金属电极材料

1.2 可印刷氧化物电极材料

1.3 可印刷无机非金属电极材料

1.4 导电聚合物电极材料

2.1 有机半导体材料

2.2 可印刷氧化物半导体材料

3.1 可印刷无机介电材料与工艺

3.2 可印刷有机介电材料与工艺

3.3 有机/无机复合介电材料与工艺

薄膜晶体管（thin film transistor，TFT）是由导体、半导体和绝缘体等薄膜构成的场效应器件。TFT是平板显示器件中用以控制每一个像素选址及亮度的有源开关器件，是实现图像显示的核心部件，直接决定了平板显示器的显示效果与显示质量。目前，已经商业应用的显示器件中，TFT均是基于真空半导体工艺制备。由于这些真空设备价格昂贵，费用占TFT生产成本的40%以上，而真空设备和光刻工艺（包括刻蚀和后端工序）的成本总和更是占TFT生产成本的90%以上，如何减少或摆脱真空工序成为降低平板显示面板生产成本的关键。溶液印刷工艺被认为是最有可能替代真空工艺的一种成膜技术，但同时也面临一些挑战，如墨水的稳定性、成膜的均匀性、窄线宽印刷等问题。科研人员对采用溶液印刷技术制备TFT开展了大量研究，并取得了较大的进展。

TFT的电极通常采用真空磁控溅射工艺制备金属薄膜，如铝、铜、钼等，再通过光刻工艺得到图案化的电极薄膜。存在设备成本高、靶材利用率低，且需要多道光刻工艺等缺点。溶液印刷工艺相对简单，具有真空工艺不可比拟的优势，目前可用溶液法制备TFT电极墨水的材料主要有金属、金属氧化物、导电聚合物及无机非金属等。

1.1 可印刷金属电极材料

可印刷金属墨水主要包括金属前驱体墨水和金属纳米粒子墨水。前驱体能溶解在溶剂中，成膜烧结后可转化为导电金属薄膜，常用的可溶性金属前驱体有硝酸银、新葵酸银、醋酸银、乙烷基丁酸银、安息酸银、柠檬酸银等。

金属纳米粒子导电墨水是将金属材料通过物理或者化学方法制备成纳米颗粒，然后分散在适宜的介质中，得到可印刷的金属导电墨水。常见的金属如银、金、铝和铜，都具有很高的电导率，但铝和铜纳米颗粒在大气环境下很容易被氧化，生成致密的氧化膜，影响颗粒之间的有效连接和导电性。金纳米墨水虽然化学性质稳定且导电率较好，但价格过于昂贵。银具有优异的导电性和抗氧化能力，相对于金成本较低，抗氧化性能优于铝和铜，是制备金属墨水的最佳选择之一。而且银墨水化学性质稳定、制备简单、储存方便，是目前研究最多的导电金属墨水之一。

金属纳米粒子导电墨水在印刷制备成膜后通常要经过烧结后处理工艺，让溶剂挥发，除去有机稳定剂，形成纳米粒子的堆积，烧结过程如图1所示。常用的烧结方法有热烧结、光子烧结、微波辐射、等离子体烧结、电烧结和化学烧结。

图1 基于金属纳米粒子的导电墨水烧结过程示意图

1.2 可印刷氧化物电极材料

1.3 可印刷无机非金属电极材料

无机非金属电极墨水主要包括碳纳米管（carbon nanotube，CNT）和石墨烯。按照石墨烯片的层数可以分为单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes，SWCNT）和多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes，MWCNT）。单壁碳纳米管透明导电薄膜不但展示良好的柔性，还具有良好的拉伸性，适用于可拉伸电子器件领域。

石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。虽然石墨烯的理论导电性非常好，但是实际效果不佳，这是因为制备大面积、高质量的石墨烯较为困难。虽然在石墨烯的制备方法上取得了不少进展，但石墨烯要获得真正应用依然为时尚早。

1.4 导电聚合物电极材料

导电聚合物电极材料具有良好的溶解性、天然的柔性和生物兼容性等优点，使它们成为可穿戴电子设备的理想电极材料。其中常用到的导电聚合物是聚噻吩衍生物，具有环境稳定性、高电导率和可见光透光率。聚乙烯二氧噻吩（PEDOT）的结构，如图2所示。

图2 PEDOT∶PSS的分子结构式

表1对比了不同的可印刷电极材料，可以看出，聚合物墨水成本低，与柔性衬底高度兼容，但是导电性一般；碳基墨水制备成本高，且制备过程复杂；氧化物可见光透过率高，但导电性和柔性不如金属。导电金属墨水是目前研究最为广泛的印刷电极墨水材料。

表1 不同导电墨水对比

1可印刷电极墨水材料与工艺

TFT半导体材料的选择对于其性能至关重要。目前已商业应用的半导体材料主要有基于等离子体增强型化学气相沉积工艺制备的非晶硅（a-Si），这是最早使用的TFT半导体材料之一，具有较好的工艺成熟性，但其迁移率相对较低。在非晶硅薄膜的基础上采用激光晶化工艺制备的多晶硅（poly-Si）半导体具有比非晶硅更高的迁移率，适用于需要更高电子迁移率的应用，还有基于真空磁控溅射工艺制备的氧化物半导体，具有较高的电子迁移率和良好的可见光透过率，适用于大尺寸和高分辨率的显示产品。然而这些半导体薄膜都需要采用真空半导体工艺制备，工艺复杂，成本高。可通过溶液印刷工艺制备的半导体薄膜材料，包括有机半导体、氧化物半导体等。

2.1 有机半导体材料

1986年，Koezuka等报道了基于电化学聚合的聚噻吩有机薄膜晶体管器件（OTFT），经过几十年的发展，在有机半导体材料的设计合成、OTFT器件制备及集成工艺均取得了许多突破性的进展。Pierre等实现了在柔性衬底上OTFT各层均用打印方法制备器件。Giri等开发了一种溶液剪切成膜的方式制备OTFT。Luo等设计了一个玻璃垫片隔开的三明治式的隧道装置，利用毛细管作用诱导聚合物链的自组装，使其在已构筑纳米级凹槽的基底上形成单轴取向的薄膜，如图3所示。

图3 三明治式隧道装置毛细作用诱导成膜示意图

2.2 可印刷氧化物半导体材料

采用印刷工艺制备氧化物TFT器件阵列，具有低成本和大面积的优势，是未来信息显示技术的发展方向。通过溶液法制备氧化物TFT引起了越来越多的重视。相比于印刷OTFT，印刷氧化物TFT起步较晚，但是由于氧化物半导体材料在载流子迁移率方面较有优势，印刷氧化物TFT的进展速度要比印刷OTFT更快。

氧化物半导体薄膜的溶液制备方法主要包括溶胶-凝胶（sel-gel）法和纳米粒子（线）分散法。溶胶-凝胶法整个工艺过程如图4所示。由于没有形成胶体（属于低黏度溶液），在没有添加剂的情况下，这种方法制备的薄膜非常薄，但仍可以获得较好的性能。

图4 溶胶-凝胶法的制备工艺过程

与真空工艺相比，溶液法很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂。通过前驱体溶液共混掺杂，可以制备出大量的不同性质的氧化物半导体材料，如 InZnO、InSnO、ZnSnO、InGaO、InGaZnO等。

在印刷氧化物TFT应用方面，基于溶液工艺制备的氧化物TFT背板驱动的5.5英寸有源矩阵式液晶显示器（AMLCD）在2018年的信息显示协会（SID）年会上被报道（图 5）。

图5 溶液法氧化物TFT结构（a）和5.5英寸AMLCD的显示照片（b）

尽管只有半导体层是溶液处理法制备的，但这仍是一大进步，改变了传统的制备平板显示TFT背板的工艺。印刷技术有很大的潜力替代传统的成膜和光刻工艺。但是仍然有一些困难需要克服：例如墨水材料流变性及薄膜形态调控、印刷精度和图案化的均匀性等。此外，也需要改进印刷装备。

2 可印刷半导体材料与工艺

印刷TFT绝缘层具有工艺简单、成本低、环境友好等优势。目前应用于印刷TFT的绝缘层材料主要有无机介电材料、有机聚合物介电材料，以及无机/有机聚合物复合介电材料等。

3.1 可印刷无机介电材料与工艺

无机介电材料有耐高温、化学性质稳定等优点，但是固相高温和非柔性加工工艺限制了其在大面积柔性显示、低成本溶液加工生产中的应用。

表2 部分溶液法制备高介电常数绝缘材料汇总

3.2 可印刷有机介电材料与工艺

与无机介电材料比较，有机聚合物介电材料具有材料种类丰富、表面粗糙度低、表面能低、表面陷阱密度低、制备温度低，以及与有机半导体及柔性衬底天然兼容等优点，使得有机介电材料在柔性印刷电子器件中显示出了很大的潜力。常用有机聚合物介电材料包括PVA、PMMA、PVP、PS 等（图 6）。对于底栅结构的有机绝缘层，在选择半导体层材料溶剂时，尽量选取与绝缘层材料溶解度低、极性相差较大的溶剂，以减小对绝缘层薄膜的损坏。

图6 常用有机聚合物介电材料的化学结构

3.3 有机/无机复合介电材料与工艺

无机介电薄膜虽然介电常数高，但是薄膜粗糙、不致密，且机械柔性差。有机聚合物虽然介电常数较低，但具有机械性好、致密、平整等优点。因此，综合两者的优点，设计有机/无机复合介电材料，已经成为实际应用中常用的一类高介电可印刷材料。

图7 有机-无机杂化介电层的氧化物TFT的示意图

3 可印刷介电材料与工艺

基于印刷TFT材料及薄膜工艺，实现全印刷TFT在理论上是可行的。然而，由于TFT器件是由多层薄膜叠加而成的，上层薄膜的印刷可能会破坏下层薄膜，造成器件失效或性能衰退；此外，沟道边缘的规整度、源/漏电极与栅极的交叠面积大小对印刷工作的对准、线条规整度，以及印刷的稳定性和重复性都提出了非常高的要求；此外，各层薄膜之间的界面匹配、工艺温度匹配也是构造全印刷TFT需要考虑的关键问题。因此，实现高性能全印刷TFT具有很大的挑战性。

2000年，Sirringhaus等在Science上发表了用喷墨打印工艺制备了高分辨率的全聚合物薄膜晶体管电路。如图8所示。

图8 高分辨率的全聚合物薄膜晶体管电路

图9 全印刷、全氧化物TFT器件

Li等利用溶剂打印的方法实现了稳定可重复的底栅氧化物TFT阵列，如图10所示。从图中可以看出薄膜均没有出现咖啡环现象，表面平整。

图10 喷墨印刷氧化物薄膜的基本流程及多膜层集成制备TFT器件阵列

4 全印刷薄膜晶体管器件技术

TFT通过印刷方式将各种电极、半导体层、介电层材料以墨水的形式层层叠加沉积制备，具有大面积、成本低、柔性化、绿色环保等优势，受到研究者的高度关注。然而，要实现印刷TFT技术的商业应用还存在很多基础性问题，例如可印刷的高性能墨水材料开发，高均匀性薄膜印刷沉积工艺，较低的接触电阻，印刷TFT集成制备技术，短沟道TFT印刷技术，如何实现印刷TFT在偏压、光辐照、温度等条件的长期稳定性等有待解决。相信随着新材料的进一步开发和印刷技术的发展，印刷技术将为实现低成本制造TFT提供一条有前景的途径。

5 结论

论文全文发表于《科技导报》2025年第2期，原标题为《印刷薄膜晶体管材料与器件技术研究进展》，本文有删减，欢迎订阅查看。

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来源：科技导报