一种室温下制造薄膜晶体管的新方法

2025年10月23日，日本工学院大学宣布了一种无需热处理的氧化物薄膜晶体管（TFT）制造工艺。该工艺简单，无需专用气体供应设备，即可在常温常压下完成，并且适用于耐热性较低的塑料基板，从而拓宽了基板的选择范围。

工学院大学研究小组开发的部分制造工艺。来源：工学院大学

300℃热处理工艺给材料选择带来了挑战

近年来，柔性器件已广泛应用于显示器、传感器等诸多领域，并有望为太阳能电池、锂离子电池等应用带来技术创新。柔性器件的制造通常采用基于柔性塑料基板的薄膜晶体管（TFT）。

薄膜晶体管（TFT）中使用的半导体材料种类繁多，包括有机半导体和碳纳米管，但氧化物半导体尤其具有制造优势，例如成熟的大规模生产工艺、优异的电学性能以及可采用低温工艺。正因如此，工学院大学工学部电气电子工程系相川真也教授领导的研究团队一直致力于氧化物半导体在TFT研究中的应用。

另一方面，氧化物薄膜晶体管（TFT）存在氧空位等缺陷，这些缺陷是由弱键合氧引起的，会导致电学特性不稳定，例如滞后和凸起。虽然薄膜可以在室温下形成，但去除这些缺陷需要300°C或更高的温度进行热处理，这意味着唯一的选择是使用耐热塑料基板，例如聚酰亚胺。

除热处理外，其他用于减少缺陷的方法还包括等离子体处理、高能紫外线 (UV) 照射和臭氧气氛下的紫外线照射。然而，这些方法也存在一些挑战，例如等离子体处理会对塑料基材造成损伤，高能紫外线照射会导致基材意外升温（最高可达 150°C），以及臭氧处理需要复杂的器件结构。

紫外线照射后静置一段时间，其性能会得到改善

针对这种情况，相川的研究小组开发了一种方法，该方法包括“向材料中添加容易与氧结合的元素，以减少由弱氧键引起的缺陷”和“用低能量紫外光照射材料以去除缺陷”。

研究小组最初考虑使用硅（Si）作为添加剂，并得出结论认为它可以减少缺陷。然而，添加的硅量与载流子迁移率之间存在权衡关系，因此他们重新考虑，决定使用硼（B）。硼的离子半径比硅小，能够显著地使薄膜非晶化，从而确保高载流子迁移率并提高机械柔韧性。

此外，该方法采用低能紫外线照射而非传统的热处理方式，在薄膜形成后去除缺陷。紫外线照射仅使基材温度升高约26℃，相当于室温。由于无需热处理，避免了基材的意外升温，因此可适用的基材范围大大扩展。该处理可在常温常压下进行，无需臭氧等专用气体供应设备，因此操作简便。

低能量紫外线照射过程。来源：工学院大学

据相川介绍，他们最初尝试这种方法时，TFT的特性不稳定，但他们发现，紫外线照射后让TFT静置一段时间，形成保护层，特性就会得到改善。相川解释说：“我当时都快放弃了，但后来我想，‘再等等吧’，就让它静置了一段时间，结果发现特性确实有所改善。”

紫外线照射和静置后性能得到改善。来源：工学院大学

尽管在投入实际应用之前还有一些挑战需要克服，例如优化紫外线处理和静置过程的条件、验证规模化生产以及评估长期稳定性，但可以预见的是，它可以用于可折叠智能手机和可穿戴设备等柔性设备，以及钙钛矿太阳能电池的透明电极。

在方法介绍会上，相川强调：“这项技术有助于拓展柔性器件市场。由于该工艺可在室温下进行，且不使用对人体有害的气体，因此也有助于提高可持续性并实现碳中和。如果能够实现高可靠性的TFT，它们就可以应用于下一代显示器和半导体电路。”他呼吁各公司合作开发这项技术。他特别表示，希望与能够提供和改进氧化物材料的材料制造商、能够开发集成紫外线照射、静置和形成保护层的低温工艺设备的制造商，以及能够将该技术应用于柔性显示器和传感器领域的器件制造商合作。