Printed and low-temperature-processed indium oxide thin-film transistors for flexible applications

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorAlastalo, Ari, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, Finland
dc.contributor.authorLeppäniemi, Jaakko
dc.contributor.departmentTeknillisen fysiikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Applied Physicsen
dc.contributor.schoolPerustieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Scienceen
dc.contributor.supervisorKauppinen, Esko, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.date.accessioned2017-06-07T09:02:43Z
dc.date.available2017-06-07T09:02:43Z
dc.date.defence2017-06-09
dc.date.issued2017
dc.description.abstractThe convergence of printing and microelectronic technologies, often called printed electronics, is best embodied in printed thin-film transistor (TFT) semiconductor devices. TFTs, that are the key components in displays and flat panel X-ray sensors, are conventionally fabricated on rigid substrates from amorphous silicon (a-Si) using vacuum-processes and a high process temperature (> 250 °C). With the existing market pull for flexible and high-resolution organic light emitting diode (OLED) displays, novel semiconductor materials, such as organic and metal oxide (MO) semiconductors, are being developed to yield TFTs with flexibility and electrical performance beyond that of a-Si. Organic TFTs (OTFTs) can be printed and processed at low-temperature (< 150 °C) on flexible substrates, whereas MO TFTs, that readily provide superior performance to both OTFTs and a-Si TFTs, are either vacuum-processed or require high-temperature processing (> 300 °C) when they are solution-processed. The thesis work focuses on the fabrication of MO semiconductors using printing processes and includes material, ink, and process development, as well as fabrication, characterization, and modelling of the printed MO TFT devices. We show in Publication [I] that thin, printed In2O3 layers can be used in enhancement-mode TFTs when the devices are stabilized using a post-contact annealing step at low-temperature. Moreover, we demonstrate, for the first time, that flexography-printed In2O3 layers on flexible plastic substrate can be used in TFTs whose performance is beyond that of a-Si TFTs or printed OTFTs. In order to lower the annealing temperature of the MO materials, Publication [II] and Publication [III] introduce a low-temperature annealing method where low-wavelength far ultraviolet (FUV) exposure and thermal annealing are combined to reach the processing temperature (~150 °C) for an inkjet-printed In2O3 semiconductor that is compatible with low-cost plastic substrates. Finally, Publication [IV] demonstrates that high-gain depletion-load inverters can be fabricated via inkjet printing by exploiting the thickness-dependent electrical properties of the In2O3 semiconductors. In summary, this thesis demonstrates that MO semiconductors can be deposited using industrially-relevant printing processes and processed at low-temperature on flexible substrates. This could lead, in the future, to the use of printed MO TFTs in flexible applications, such as biosensors, flexible displays, large-area sensors, and integrated and radio-frequency circuits. The potential of these applications is also analysed in this thesis.en
dc.description.abstractPainotekniikkaa ja mikroelektroniikkaa yhdistävää tieteenalaa kutsutaan usein painetuksi elektroniikaksi. Painettuja ohutkalvotransistoreita (engl. thin-film transistor, TFT) voidaan pitää näiden teknologioiden yhdistelmän huipentumana. Näytöissä ja digitaalisissa röntgendetektoreissa olevat amorfiseen piihin perustuvat (a-Si) TFT:t valmistetaan perinteisesti käyttäen tyhjiökasvatusmene-telmiä, korkeaa valmistuslämpötilaa (> 250 °C) ja taipumatonta alustaa. Uusien puolijohdemate-riaalien, kuten orgaanisten- ja metallioksidipuolijohteiden, kehitystä ohjaavat taipuisien sekä orgaanisiin valodiodeihin (OLED) perustuvien näyttöjen asettamat vaatimukset komponenttien taipuisuudelle sekä puolijohteen suorituskyvylle. Orgaanisia ohutkalvotransistoreita (OTFT) voidaan valmistaa taipuisille alustoille käyttäen painomenetelmiä ja matalaa lämpötilaa (< 150 °C), kun taas metallioksideihin perustuvat TFT:t tarjoavat näitä paremman suorituskyvyn mutta ovat valmistettu joko käyttäen tyhjiömenetelmiä tai liuosprosessia ja korkeaa lämpötilaa (> 300 °C). Tämä väitöskirja keskittyy metallioksidipuolijohteiden valmistukseen painotekniikoita käyttäen ja sisältää tietoa materiaalien, painomusteiden ja valmistusprosessien kehittämisestä, sekä painettujen TFT:iden valmistuksesta, karakterisoinnista ja mallintamisesta. Julkaisussa [I] osoitetaan, että ohuita, painettuja indiumoksidikerroksia (In2O3) voidaan käyttää avaustyypin transistoreissa, kun valmiit komponentit stabiloidaan paistamalla niitä matalassa lämpötilassa. Tämän lisäksi osoitetaan ensimmäisen kerran, että fleksopainoa käyttäen voidaan valmistaa taipuisalle alustalle In2O3 TFT:itä, joiden suorituskyky ylittää a-Si TFT:t ja painetut OTFT:t. Liuosprosessiin perustuvien metallioksidien korkeaa valmistuslämpötilaa voidaan laskea käyttäen Julkaisussa [II] ja Julkaisussa [III] esiteltyä menetelmää, joka perustuu matalan aallonpituuden ultravioletti-säteilyn ja lämmityksen yhteisvaikutukseen. Tätä menetelmää käyttämällä osoitetaan, että muste-suihkutulostettuja In2O3 puolijohteita voidaan valmistaa matalassa lämpötilassa taipuisille ja edullisille muovialustoille. Julkaisussa [IV] osoitetaan, että sulkutyyppisillä TFT:illä kuormattuja, korkean vahvistuksen omaavia yksipolaarisia inverttereitä voidaan valmistaa mustesuihku-tulostusta ja In2O3 puolijohteen sähköisten ominaisuuksien paksuusriippuvuutta hyödyntämällä. Yhteenvetona voidaan todeta, että metallioksidipuolijohteita on mahdollista valmistaa taipuisille alustoille matalaa lämpökäsittelylämpötilaa ja teollisen mittakaavan painomenetelmiä käyttäen. Tulevaisuudessa painettuja metallioksidiohutkalvotransistoreita voidaan mahdollisesti käyttää sovelluksissa, kuten esimerkiksi bio- ja suuren pinta-alan antureissa, taipuisissa näytöissä ja integroiduissa sekä analogisissa piireissä, joiden ominaisuuksia on analysoitu tässä väitöskirjassa.fi
dc.format.extent135 + app. 35
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-60-7342-2 (Aalto, electronic)
dc.identifier.isbn978-952-60-7343-9 (Aalto, printed)
dc.identifier.isbn978-951-38-8520-5 (VTT, electronic)
dc.identifier.isbn978-951-38-8521-2 (VTT, printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (Aalto, electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (Aalto, printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (Aalto, ISSN-L)
dc.identifier.issn2242-1203 (VTT, electronic)
dc.identifier.issn2242-119X (VTT; printed)
dc.identifier.issn2242-119X (VTT, ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/26621
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-60-7342-2
dc.language.isoenen
dc.opnAnthopoulos, Thomas D., Prof., King Abdullah University of Science and Technology, Saudi-Arabia
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[Publication 1]: J. Leppäniemi, O.-H. Huttunen, H. Majumdar and A. Alastalo, Flexography-Printed In2O3 Semiconductor Layers for High-Mobility Thin-Film Transistors on Flexible Plastic Substrate, Advanced Materials 2015, vol. 27 (44), pp. 7168-7175. DOI: 10.1002/adma.201502569
dc.relation.haspart[Publication 2]: J. Leppäniemi, K. Ojanperä, T. Kololuoma, O.-H. Huttunen, J. Dahl, M. Tuominen, P. Laukkanen, H. Majumdar and A. Alastalo, Rapid low-temperature processing of metal-oxide thin film transistors with combined far ultraviolet and thermal annealing, Applied Physics Letters 2014 , vol. 105 (11), p. 113514. DOI: 10.1063/1.4895830
dc.relation.haspart[Publication 3]: J. Leppäniemi, K. Eiroma, H. Majumdar and A. Alastalo, Far-UV Annealed Inkjet-Printed In2O3 Semiconductor Layers for Thin-Film Transistors on a Flexible Polyethylene Naphthalate Substrate, ACS Applied Materials and Interfaces, 2017, vol. 9 (10), pp. 8774-8782 2016 , vol. 37 (4), pp. 445-448. DOI: 10.1021/acsami.6b14654
dc.relation.haspart[Publication 4]: J. Leppäniemi, K. Eiroma, H. Majumdar and A. Alastalo, In2O3 Thin-Film Transistors via Inkjet Printing for Depletion-Load NMOS Inverters, IEEE Electron Device Letters 2016, vol. 37 (4), pp. 445-448. DOI: 10.1109/LED.2016.2529183
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries50/2017
dc.relation.ispartofseriesVTT Scienceen
dc.relation.ispartofseries148
dc.revGelinck, Gerwin H. Prof., Technical University of Eindhoven, Netherlands
dc.revJantunen, Heli, Prof., University of Oulu, Finland
dc.subject.keywordprinted electronicsen
dc.subject.keywordmetal oxide thin-film transistorsen
dc.subject.keywordflexographic printingen
dc.subject.keywordinkjet printingen
dc.subject.keywordlow-temperature annealingen
dc.subject.keyworddepletion-load inverteren
dc.subject.keywordpainettu elektroniikkafi
dc.subject.keywordmetallioksidi-ohutkalvotransistoritfi
dc.subject.keywordfleksopainofi
dc.subject.keywordmustesuihku-tulostusfi
dc.subject.keywordmatala toivutuslämpötilafi
dc.subject.keywordsulkutyyppiseen transistorikuormaan perustuva invertterifi
dc.subject.otherPhysicsen
dc.titlePrinted and low-temperature-processed indium oxide thin-film transistors for flexible applicationsen
dc.titlePainetut ja matalassa lämpötilassa valmistetut indiumoksidi-ohutkalvotransistorit taipuisiin sovelluksiinfi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.archiveyes
local.aalto.formfolder2017_06_07_klo_10_56
Files
Original bundle
Now showing 1 - 2 of 2
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526073422.pdf
Size:
9.12 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
Errata_Leppaniemi_Jaakko_DD_50_2017.pdf
Size:
140.26 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
Errata Jaakko Leppäniemi DD-50/2017, VTT Sci 148