KR20220025950A - Manufacturing of carbon nanotube thin film transistor backplanes and display integration thereof - Google Patents

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Abstract

단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)를 기존 TFT 백플레인 제조 라인에 생산하고 통합하는 방법들이 제공된다. LTPS 및 산화물 TFT 백플레인들과 달리, SWCNT TFT 백플레인들은 높은 전계 방출 이동성, 저온 제조, 우수한 안정성, 균일성, 확장성, 유연성, 투명성, 기계적 변형성, 저전압과 저전력, 굽힘성, 그리고 저비용과 같은 동등하거나 더 우수한 성능 지수들(figures of merit)을 나타낸다. 추가적인 설비 투자 요구 없이 시작할 수 있는, SWCNT들 기술들을 기존 TFT 백플레인 제조 라인들, 파일럿 테스트, 그리고 대량 생산에 통합하기 위한 방법들 및 공정들이 또한 제공된다. Methods for producing and integrating single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) into an existing TFT backplane manufacturing line are provided. Unlike LTPS and oxide TFT backplanes, SWCNT TFT backplanes have the same or equal or higher field emission mobility, low temperature fabrication, good stability, uniformity, scalability, flexibility, transparency, mechanical deformability, low voltage and low power, bendability, and low cost. It exhibits better figures of merit. Methods and processes are also provided for integrating SWCNTs technologies into existing TFT backplane manufacturing lines, pilot testing, and mass production, which can start without additional capital investment requirements.

Description

탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인의 제조 및 그 디스플레이 통합{MANUFACTURING OF CARBON NANOTUBE THIN FILM TRANSISTOR BACKPLANES AND DISPLAY INTEGRATION THEREOF}Manufacturing of carbon nanotube thin film transistor backplane and display integration

탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인의 제조 방법 및 이들의 디스플레이로의 통합.A method for manufacturing a carbon nanotube thin film transistor backplane and their integration into a display.

평판 디스플레이들(FPDs)은 디스플레이 기능들과 통합된 소비가전들에 들어 갔다. 기존의 FPD들 중에서 박막트랜지스터(TFT)-액정 디스플레이들(LCDs)은 색상, 대비, 그리고 응답 시간에 대한 특정한 제한들이 있지만 2013 년 97.5 %의 시장 점유율로 현재의 디스플레이 시장을 지배하고 있다. 보다 최근에는 우수한 색상, 대비, 그리고 응답 시간의 디스플레이 품질뿐만 아니라 8 세대 이상의 제조에서 대형 AMOLED들은 TFT-LCD들보다 비용 우위를 가지기 때문에, 디스플레이 설비 투자(capital expenditures, CAPEX)가 TFT-LCD들에서 AMOLED들로 급격히 이동했다. 8 세대 크기보다 큰 AMOLED를 제조할 수 있으려면 종래의 능동 매트릭스 박막트랜지스터(TFT) 백플레인들의 한계점들을 포함하여 몇 가지 기술 과제들이 있다(예를 들어, G. Gu 및 S. R. Forrest, Quantum Electronics의 IEEE Journal of Selected Topics, Vol. 4, pp. 83-99, 1998을 참조하고, 본 개시는 본 명세서에서 참조로 포함됨).Flat panel displays (FPDs) have entered consumer electronics integrated with display functions. Among the existing FPDs, thin film transistor (TFT)-liquid crystal displays (LCDs) dominate the current display market with a market share of 97.5% in 2013, although there are certain limitations on color, contrast, and response time. More recently, display capital expenditures (CAPEX) have increased in TFT-LCDs as large AMOLEDs have a cost advantage over TFT-LCDs in 8G+ manufacturing, as well as display quality of superior color, contrast, and response time. There has been a rapid shift towards AMOLEDs. To be able to fabricate AMOLEDs larger than the 8th generation size, there are several technical challenges, including limitations of conventional active matrix thin film transistor (TFT) backplanes (e.g., G. Gu and SR Forrest, IEEE Journal of Quantum Electronics). of Selected Topics, Vol. 4, pp. 83-99, 1998, the disclosure of which is incorporated herein by reference).

AM-LCD 화소들을 구동하는데 사용되는 현재의 능동 매트릭스 TFT 백플레인들은 일반적으로 비정질 실리콘(a-Si)으로 만들어지며, 이동성이 낮고(-1 cm2V-1s-1) 안정성이 떨어지므로, AMOLED 화소들에 적합하지 않다(MJ Powell, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 36, pp. 2753-2763, 1989을 참조하고, 본 개시는 본 명세서에서 참조로 포함됨). 이러한 결함들의 결과로, 현재의 AMOELD 디스플레이들은 높은 제조 비용 및 시간, 장치 크기, 배향, 그리고 불균일성 한계들을 갖고 있는 저온의 다결정 실리콘(poly-Si) TFT들에 의해 구동되고 있으며, 이러한 것들은 모두 디스플레이 크기 및 생산 수율을 증가시키는데 심각한 도전을 일으킨다(예를 들어, C.P. Chang 및 Y.C.S. Wu, IEEE electron device letters, vol. 30, pp. 130-132, 2009; Y.J. Park, M.H. Jung, S.H. Park and O. Kim, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 49, pp. 03CD01, 2010 및 P.S. Lin 및 T.S. Li, IEEE electron device letters, vol.15 , pp. 138-139, 1994를 참조하며, 이들 각각의 개시 내용들은 본 명세서에 참조로 포함됨).Current active matrix TFT backplanes used to drive AM-LCD pixels are generally made of amorphous silicon (a-Si), have low mobility (-1 cm 2 V -1 s -1 ) and poor stability, so AMOLED Not suitable for pixels (see MJ Powell, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 36, pp. 2753-2763, 1989, the disclosure of which is incorporated herein by reference). As a result of these deficiencies, current AMOELD displays are driven by low-temperature poly-Si TFTs, which have high manufacturing cost and time, device size, orientation, and non-uniformity limitations, all of which display size and serious challenges in increasing production yield (e.g., CP Chang and YCS Wu, IEEE electron device letters, vol. 30, pp. 130-132, 2009; YJ Park, MH Jung, SH Park and O. Kim). , Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 49, pp. 03CD01, 2010 and PS Lin and TS Li, IEEE electron device letters, vol.15, pp. 138-139, 1994, the disclosures of each of these incorporated herein by reference).

저온 다결정 실리콘(LTPS) 백플레인들이 5.5 세대까지 대량 생산되었지만, 엑시머 레이저 어닐링(ELA) 및 고급 고체상 결정화(ASPC)를 포함한 LTPS 제조 기술들은 Gen 8 세대 초과의 스케일업에 상당한 장애물들을 만든다. 예를 들어, ELA 및 ASPC 팹들(fabs)은 총 평균 사이클 시간이 매우 느리며 a-Si의 경우 60 초의 두 배 이상이다. 이는 a-Si의 어레이 공정에 대한 자본 비용을 두 배로 증가시킨다. 또한 ELA의 스케일업으로 인해 불균일 및 어레이 오류가 발생할 수 있다. ASPC 공정의 고온(섭씨 600 도까지)에는 유리 뒤틀림과 수축을 피하기 위해 고가의 유리가 필요하다(B. Young, Information Display, vol.10, pp.24, 2010, 본 개시 내용은 본 명세서에 참조로 포함됨). LTPS를 제조하기 위해 요구되는 더 높은 공정 온도들 및 보다 복잡한 포토마스크는 설비 투자와 고수율 달성의 어려움을 증가시킨다. 이로 인해 동일한 크기의 a-Si TFT-LCD보다 5 인치 0LTPS TFT-LCD(1920 Х 1080 화소)가 14 % 더 비싸다.Although low-temperature polycrystalline silicon (LTPS) backplanes have been mass-produced up to the 5.5th generation, LTPS fabrication techniques, including excimer laser annealing (ELA) and advanced solid-phase crystallization (ASPC), create significant obstacles to scale-up beyond Gen 8 generation. For example, ELA and ASPC fabs have very slow total average cycle times, more than double that of 60 seconds for a-Si. This doubles the capital cost of the array process of a-Si. Additionally, scaling up of ELA can introduce non-uniformity and array errors. The high temperatures of the ASPC process (up to 600 degrees Celsius) require expensive glass to avoid glass warping and shrinkage (B. Young, Information Display, vol.10, pp.24, 2010, the disclosure of which is incorporated herein by reference). included as). The higher process temperatures and more complex photomasks required to fabricate LTPS increase capital investment and difficulty in achieving high yields. Because of this, a 5-inch 0LTPS TFT-LCD (1920 Х 1080 pixels) is 14% more expensive than an a-Si TFT-LCD of the same size.

이에 따라, 보다 저렴한 TFT 백플레인들의 제조를 가능하게 만드는 제조 기술들이 필요하다.Accordingly, there is a need for fabrication techniques that enable the fabrication of cheaper TFT backplanes.

탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법 및 이들의 디스플레이로의 통합이 제공된다.Methods for manufacturing carbon nanotube thin film transistor backplanes and their integration into displays are provided.

많은 실시예들은 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인의 제조 방법들에 관한 것으로,Many embodiments relate to methods of manufacturing a single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane,

기판을 제공하는 것;providing a substrate;

기판 위에 단일벽 탄소나노튜브들의 박막층으로 구성된 절연체를 적층하는 것; 그리고stacking an insulator composed of a thin film layer of single-walled carbon nanotubes on a substrate; And

포토마스크 및 포토리소그래피 공정을 사용하여 절연체 위에 적어도 하나의 드레인 및 소스 전극, 유전체, 하나 이상의 상부 게이트형 전극들, 그리고 하나 이상의 화소 전극들을 패터닝하는 것을 포함한다.and patterning at least one drain and source electrode, a dielectric, one or more top gated electrodes, and one or more pixel electrodes over the insulator using a photomask and a photolithography process.

다른 실시예들에서, 절연체는 에어로졸 스프레이, 에어 스프레이 및 초음파 스프레이로 구성된 그룹으로부터 선택된 스프레이 기술에 의해 적층된다.In other embodiments, the insulator is deposited by a spray technique selected from the group consisting of aerosol spray, air spray and ultrasonic spray.

이러한 일부 실시예들에서, 단일벽 탄소나노튜브 에어로졸은 20 내지 48 V 범위의 전압에서 초음파 분무, 그리고 약 600 cm2/min의 분무기 흐름을 갖는 공압 분무(pneumatic atomization)로 약 1 내지 5 ㎛ 직경에서 에어로졸을 생성하는 기술에 의해 형성되고, 에어로졸은 약 10 내지 20 cm2/min의 캐리어 가스 흐름에 의해 분무 헤드로 이송된다.In some such embodiments, the single-walled carbon nanotube aerosol is about 1 to 5 μm in diameter by ultrasonic atomization at a voltage in the range of 20 to 48 V, and pneumatic atomization with an atomizer flow of about 600 cm 2 /min. is formed by a technology that generates an aerosol in

또 다른 이러한 실시예들에서, 단일벽 탄소나노튜브 에어로졸은 초음파 노즐에서 초음파 처리되고 약 10 내지 20 cm2/min 의 캐리어 가스 흐름으로 방출되는 단일벽 탄소나노튜브들의 수용액으로부터 형성된다.In still other such embodiments, a single-walled carbon nanotube aerosol is formed from an aqueous solution of single-walled carbon nanotubes that is sonicated in an ultrasonic nozzle and discharged with a carrier gas flow of about 10-20 cm 2 /min.

또 다른 실시예들에서, 절연체는 단일벽 탄소나노튜브 에어로졸로서 에어로졸 제트 인쇄를 사용하여 기판 위에 인쇄된다.In still other embodiments, the insulator is printed onto the substrate using aerosol jet printing as a single-walled carbon nanotube aerosol.

이러한 일부 실시예들에서, 단일벽 탄소나노튜브 에어로졸은 20 내지 48 V 범위의 전압에서 초음파 분무, 그리고 600 cm2/min 미만의 분무기 흐름을 갖는 공압 분무로부터 선택된 기술에 의해 형성되어, 에어로졸을 1 내지 5 μm의 직경으로 생성하며, 에어로졸은 10 내지 20 cm2/min 의 캐리어 가스 흐름에 의해 100 ㎛ 미만의 미세 노즐로 만들어지고, 25 내지 50 ccm의 차단가스 흐름(sheath gas flow)으로 집중된다.In some such embodiments, the single-walled carbon nanotube aerosol is formed by a technique selected from ultrasonic atomization at a voltage in the range of 20 to 48 V, and pneumatic atomization with a nebulizer flow of less than 600 cm 2 /min, thereby generating the aerosol by 1 to 5 μm in diameter, the aerosol is made into a fine nozzle of less than 100 μm by a carrier gas flow of 10 to 20 cm 2 /min, and is concentrated with a sheath gas flow of 25 to 50 ccm .

다른 이러한 실시예들에서, 적층된 선폭은 2㎛ 미만의 등록 정확도로 10㎛ 미만이다.In other such embodiments, the stacked linewidth is less than 10 μm with a registration accuracy of less than 2 μm.

또 다른 실시예들에서, 단일벽 탄소나노튜브들은 고순도 단일 키랄성(chirality) 단일벽 탄소나노튜브들이다.In still other embodiments, the single-walled carbon nanotubes are high-purity single chirality single-walled carbon nanotubes.

이러한 일부 실시예들에서, 단일벽 탄소나노튜브들은 (6,4), (9,1), (8,3), (6,5), (7,3), (7,5), (10,2),(8,4),(7,6),(9,2),그리고 이들의 혼합물들로부터 선택된 지수를 갖는다.In some such embodiments, single-walled carbon nanotubes are (6,4), (9,1), (8,3), (6,5), (7,3), (7,5), ( 10,2), (8,4), (7,6), (9,2), and mixtures thereof.

또 다른 실시예들에서, 단일벽 탄소나노튜브 박막은 복수의 개별 박막들로 형성된다.In still other embodiments, the single-walled carbon nanotube thin film is formed of a plurality of individual thin films.

이러한 일부 실시예들에서, 개별 단일벽 탄소나노튜브 박막들은 하나의 포토마스크 포토리소그래피 공정을 사용하여 패터닝된다.In some such embodiments, individual single-walled carbon nanotube thin films are patterned using a single photomask photolithography process.

또 다른 실시예들에서, 그 방법은 단일벽 탄소나노튜브 박막을 산성 가스로 처리하는 것을 추가로 포함한다.In still other embodiments, the method further comprises treating the single-walled carbon nanotube thin film with an acid gas.

이러한 일부 실시예들에서, 산성 기체는 에어로졸 분무를 통해 적층된다.In some such embodiments, the acid gas is deposited via aerosol spray.

또 다른 이러한 실시예들에서, 그 방법은 처리된 단일벽 탄소나노튜브 박막을 이소프로판올로 세척하는 것을 추가로 포함한다.In still other such embodiments, the method further comprises washing the treated single-walled carbon nanotube thin film with isopropanol.

또 다른 이러한 실시예들에서, 그 방법은 단일벽 탄소나노튜브 박막을 약 100 내지 200 ℃의 온도에서 소결하는 것을 추가로 포함한다.In still other such embodiments, the method further comprises sintering the single-walled carbon nanotube thin film at a temperature of about 100 to 200 °C.

또 다른 실시예들에서, 박막들은 서브임계(subthreshold) 누설 전류로 형성되며,In still other embodiments, the thin films are formed with a subthreshold leakage current,

단일벽 탄소나노튜브 박막 상에 포토레지스트를 스핀 코팅하는 것;spin coating a photoresist on a single-walled carbon nanotube thin film;

정의된 포토레지스트 및 정의되지 않은 포토레지스트의 영역들을 생성하기 위해 포토리소그래피에 의해 포토레지스트 위에 패턴을 정의하는 것;defining a pattern over the photoresist by photolithography to create regions of defined photoresist and undefined photoresist;

정의된 패턴을 용액 현상하여 현상된 포토레지스트를 형성하는 것; 그리고solution developing the defined pattern to form a developed photoresist; And

패터닝된 단일벽 탄소나노튜브 박막을 형성하기 위해 현상된 포토레지스트를 사용하여 단일벽 탄소나노튜브들 박막을 플라즈마 또는 습식 식각하는 것을 포함한다.Plasma or wet etching the single-walled carbon nanotube thin film using a developed photoresist to form a patterned single-walled carbon nanotube thin film.

또 다른 실시예들에서, 그 방법은 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 디스플레이 장치에 통합하는 것을 포함한다.In still other embodiments, the method includes integrating a single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane into a display device.

다양한 다른 실시예들은 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 적층하도록 구성된 시스템에 관한 것으로,Various other embodiments relate to a system configured to stack single-walled carbon nanotube thin film transistor backplanes,

이동 스테이션(moving station)과 관련하여 장착된 복수의 프린터 헤드들;a plurality of print heads mounted in association with a moving station;

이동 스테이션 상에 위치하는 기판 위에 단일벽 탄소나노튜브들의 박막을 적층시키기 위해 단일벽 탄소나노튜브들의 수용액의 용액과 유체 연통하는 복수의 프린터 헤드들; 그리고a plurality of printer heads in fluid communication with a solution of an aqueous solution of single-walled carbon nanotubes to deposit a thin film of single-walled carbon nanotubes on a substrate positioned on the mobile station; And

프린터 헤드들은 적층된 박막 위에 적어도 하나의 드레인 및 소스 전극, 유전체, 하나 이상의 상부 게이트형 전극들, 그리고 하나 이상의 화소 전극들을 패터닝 및 형성하기 위한 포토마스크 및 포토리소그래피 공정으로 통합된다.The printer heads are integrated into a photomask and photolithography process for patterning and forming at least one drain and source electrode, dielectric, one or more top gated electrodes, and one or more pixel electrodes over the laminated thin film.

추가적인 실시예들 및 특징들은 다음의 설명에서 부분적으로 설명되며, 본 명세서를 검토할 때 당업자에게 명백하게 될 것이거나 본 발명의 실시에 의해 학습될 수 있다. 본 발명의 특성 및 장점들에 대한 추가 이해는 본 명세서의 나머지 부분을 형성하는 명세서 및 도면들의 나머지 부분을 참조하여 실현될 수 있다.Additional embodiments and features are set forth in part in the description that follows, and will become apparent to those skilled in the art upon review of the specification or may be learned by practice of the invention. A further understanding of the nature and advantages of the present invention may be realized by reference to the remainder of the specification and drawings, which form the remainder of this specification.

설명은 다음의 도면들 및 데이터 그래프들을 참조하여 보다 완전하게 이해될 것이며, 이들은 본 발명의 예시적인 실시예들로서 제시되고 본 발명의 범위를 완전히 언급하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 단일벽 탄소나노튜브들의 흡수 스펙트럼을 나타내는 데이터 그래프를 제공한다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 실시예들에 따른 예시적인 수직 발광 트랜지스터들의 개략도들을 제공한다.
도 3a 내지 3k는 실시예들에 따른 식각-정지(etch-stop) 수직 발광 트랜지스터들을 형성하는 방법의 개략도들을 제공한다.
도 4a 내지 4f는 실시예들에 따른 수직 발광 트랜지스터를 형성하는 방법들의 개략도들을 제공한다.
도 5a 내지 5c는 각각의 본 발명의 실시예들에 따리. a) 이동 스테이션들에서 용액 분무 장치들을 위한 복수의 스프레이 헤드들, b) 초음파 스프레이용 에어브러쉬, 그리고 c) 에어로졸 스프레이 시스템을 나타내는 개략적인 예시들을 제공한다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 에어브러쉬(airbrush) 분무된 탄소나노튜브 박막의 이미지를 제공한다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 에어로졸 분무된 탄소나노튜브 박막의 이미지를 제공한다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 에어브러쉬 분무 단일벽 탄소나노튜브 박막의 원자력 현미경(AFM) 이미지이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 에어로졸 분무된 단일벽 탄소나노튜브 박막의 원자력 현미경(AFM) 이미지이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따라 상부 게이트형 탄소나노튜브 TFT 백플레인을 제조하기 위한 제조 공정을 나타내는 흐름도를 제공한다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따라 드레인/소스 마크들 상에 탄소나노튜브 패턴을 인쇄하기 위한 에어로졸 프린터의 이미지를 제공한다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 단일벽 탄소나노튜브 패터닝된 필름들을 에어로졸 인쇄하기 전에 드레인/소스 마크들의 사진 및 광학 이미지를 제공한다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따라 드레인/소스 마크들 상에 에어로졸 인쇄된 단일벽 탄소나노튜브 패터닝된 필름들의 사진 및 광학 이미지를 제공한다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따라 에어로졸 제트 인쇄된 탄소나노튜브 필름들의 광학 이미지를 제공하고, 삽입된 부분은 SEM 이미지이다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따라, 포토리소그래피 패터닝된 전극들 상의 에어로졸 제트 인쇄된 탄소나노튜브 필름들의 광학 이미지를 제공하고, 삽입된 부분은 순수한 반도체 특성들을 나타내는 이러한 탄소나노튜브 필름들의 I-V 곡선이다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따라 롤-투-롤 스테이션에 장착된 다수의 에어로졸 제트 프린터 헤드들을 갖는 장치의 사진 이미지를 제공한다.
도 17은 종래 기술에 따라 표준 하부 게이트형 a-Si TFT 백플레인을 제조하기 위한 제조 공정을 나타내는 흐름도를 제공한다.
도 18은 본 발명의 실시예들에 따라 상부 게이트형 탄소나노튜브 TFT 백플레인들을 제조하기 위한 제조 공정을 나타내는 흐름도를 제공한다.
도 19는 본 발명의 실시예들에 따라 상부 게이트형 인쇄된 탄소나노튜브 TFT 백플레인들을 제조하기 위한 제조 공정을 나타내는 흐름도를 제공한다.
도 20은 본 발명의 실시예들에 따른 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터의 단면도를 제공한다.
The description will be more fully understood with reference to the following drawings and data graphs, which are presented as exemplary embodiments of the invention and should not be construed as fully reciting the scope of the invention.
1 provides a data graph showing an absorption spectrum of single-walled carbon nanotubes according to embodiments of the present invention.
2A and 2B provide schematic diagrams of exemplary vertical light emitting transistors in accordance with embodiments of the present invention.
3A-3K provide schematic diagrams of a method of forming etch-stop vertical light emitting transistors in accordance with embodiments.
4A-4F provide schematic diagrams of methods of forming a vertical light emitting transistor in accordance with embodiments.
Figures 5a-5c according to respective embodiments of the present invention. It provides schematic illustrations showing a) a plurality of spray heads for solution spraying devices at mobile stations, b) an airbrush for ultrasonic spraying, and c) an aerosol spray system.
6 provides an image of a carbon nanotube thin film sprayed with an airbrush according to embodiments of the present invention.
7 provides an image of an aerosol atomized carbon nanotube thin film according to embodiments of the present invention.
8 is an atomic force microscope (AFM) image of an airbrush sprayed single-walled carbon nanotube thin film according to embodiments of the present invention.
9 is an atomic force microscope (AFM) image of the aerosol sprayed single-walled carbon nanotube thin film according to embodiments of the present invention.
10 provides a flowchart illustrating a manufacturing process for manufacturing a top gate type carbon nanotube TFT backplane according to embodiments of the present invention.
11 provides an image of an aerosol printer for printing a carbon nanotube pattern on drain/source marks according to embodiments of the present invention.
12 provides photographic and optical images of drain/source marks prior to aerosol printing of single-walled carbon nanotube patterned films in accordance with embodiments of the present invention.
13 provides photographic and optical images of single-walled carbon nanotube patterned films aerosol printed on drain/source marks in accordance with embodiments of the present invention.
14 provides an optical image of aerosol jet printed carbon nanotube films according to embodiments of the present invention, and the inset is an SEM image.
15 provides an optical image of aerosol jet printed carbon nanotube films on photolithographic patterned electrodes, inset IV of such carbon nanotube films exhibiting pure semiconducting properties, in accordance with embodiments of the present invention. It is a curve.
16 provides a photographic image of a device having multiple aerosol jet printer heads mounted in a roll-to-roll station in accordance with embodiments of the present invention.
17 provides a flow chart showing a manufacturing process for manufacturing a standard bottom gate type a-Si TFT backplane according to the prior art.
18 provides a flowchart illustrating a manufacturing process for manufacturing top-gate type carbon nanotube TFT backplanes according to embodiments of the present invention.
19 provides a flowchart illustrating a manufacturing process for manufacturing top gate type printed carbon nanotube TFT backplanes according to embodiments of the present invention.
20 provides a cross-sectional view of a single-walled carbon nanotube thin film transistor according to embodiments of the present invention.

도면들을 참조하면, 단일벽 탄소나노튜브들(SWCNT)을 기존 TFT 백플레인 제조 라인에 생산하고 통합하기 위한 장치들, 재료들, 그리고 방법들이 있다. 특히, LTPS 및 산화물 TFT 백플레인들과 달리, SWCNT TFT 백플레인들은 높은 전계 방출 이동도, 저온 제조, 우수한 안정성, 균일성, 확장성, 유연성, 투명성, 기계적 변형성, 저전압 그리고 저전력, 굽힘성, 그리고 저비용과 같은 동등하거나 더 우수한 성능 지수들(figures of merit)을 나타낸다. 이에 따라, 많은 실시예들은, 추가적인 설비 투자 요구 없이 시작할 수 있는, SWCNT들 기술들을 기존 TFT 백플레인 제조 라인, 파일럿 테스트, 그리고 대량 생산에 통합하기 위한 방법들 및 공정들에 관한 것이다. 더욱이, 다른 실시예들은 이러한 SWCNT TFT 백플레인들을 비디오 디스플레이에 통합하기 위한 방법들 및 공정들에 관한 것으로, 다양한 실시예들에서 HMD(Helmet-Mounted Display)와 같은 하이엔드 무안경 3-D 및 UD(ultra-definition) 패널 디스플레이들을 포함한다. 다음 텍스트에서, 탄소나노튜브들은 (6,4), (9,1), (8,3), (6,5), (7,3), (7,5), (10,2), (8,4), (7,6), (9,2), 그리고 이들의 혼합물들의 지수들을 갖는 SWCNT들과 같은 고순도 단일 키랄성 SWCNT를 포함하는 단일벽 탄소나노튜브들을 지칭한다.Referring to the drawings, there are devices, materials, and methods for producing and integrating single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) into an existing TFT backplane manufacturing line. In particular, unlike LTPS and oxide TFT backplanes, SWCNT TFT backplanes have high field emission mobility, low temperature fabrication, excellent stability, uniformity, scalability, flexibility, transparency, mechanical deformability, low voltage and low power, bendability, and low cost. same or better figures of merit. Accordingly, many embodiments relate to methods and processes for integrating SWCNTs technologies into existing TFT backplane manufacturing lines, pilot testing, and mass production, which can be started without additional capital investment requirements. Moreover, other embodiments relate to methods and processes for incorporating such SWCNT TFT backplanes into a video display, in various embodiments high-end autostereoscopic 3-D and UD (such as Helmet-Mounted Display) (HMD) ultra-definition) panel displays. In the following text, carbon nanotubes are (6,4), (9,1), (8,3), (6,5), (7,3), (7,5), (10,2), Refers to single-walled carbon nanotubes containing high-purity single chiral SWCNTs, such as SWCNTs having indices of (8,4), (7,6), (9,2), and mixtures thereof.

능동 매트릭스 유기 발광 디스플레이들(AMOLEDs)은 절전, UHD(ultra-high definition), 그리고 넓은 시야각들로 인해 매우 매력적이다. 특히, 유기 발광 트랜지스터들(OLETs)의 진보는 발광 재료들의 전하 캐리어들을 직접 조절함으로써 유기 발광 다이오드들(OLEDs)에 비해 개선된 외부 효율을 나타낸다. 또한, OLET들에서 수직 구조를 유도하는 것은, 짧은 채널 길이를 제공함으로써 유기 물질들의 고유한 낮은 이동성을 회피하고, 이에 따라 저전력 및 저전압에서 높은 전도도를 달성할 수 있으므로, 에너지 변환 효율, 수명, 그리고 유기물질들의 안정성이 향상된다. 또한, 박막트랜지스터(TFT) 스위칭과 OLED 발광 특성들을 단일 장치에 결합하는 것은 제조 공정을 단순화시키고 비용을 절감시킨다. 그러나 이러한 장치들에서 기본 TFT 백플레인들을 형성하는데 있어 기술적 도전들은 디스플레이 크기 변화 및 비용 절감을 제한한다. 후술되는 것처럼, 신규한 SWCNT 재료들, 그리고 고투명 다공성 전도성 SWCNT 전극들과 같은 제조 조합들의 사용은, 비정질/결정질/폴리 실리콘, 금속 산화물, 그리고 유기 물질들로 제조된 디스플레이 백플레인들의 한계들을 극복하는 TFT 백플레인들의 제조 라인들에 포함될 수 있는 SWCNT TFT들의 형성을 가능하게 만들며, 그리고 다양한 요구들에 적합할 것이다.Active matrix organic light emitting displays (AMOLEDs) are very attractive because of their power saving, ultra-high definition (UHD), and wide viewing angles. In particular, advances in organic light emitting transistors (OLETs) represent improved external efficiency compared to organic light emitting diodes (OLEDs) by directly modulating the charge carriers of the light emitting materials. In addition, inducing vertical structure in OLETs avoids the inherent low mobility of organic materials by providing a short channel length, thus achieving high conductivity at low power and low voltage, thus improving energy conversion efficiency, lifetime, and The stability of organic substances is improved. In addition, combining thin film transistor (TFT) switching and OLED light emitting characteristics into a single device simplifies the manufacturing process and reduces costs. However, the technical challenges in forming basic TFT backplanes in these devices limit display size change and cost savings. As described below, the use of novel SWCNT materials, and fabrication combinations such as highly transparent porous conductive SWCNT electrodes, overcomes the limitations of display backplanes made of amorphous/crystalline/polysilicon, metal oxide, and organic materials for TFT It enables the formation of SWCNT TFTs that can be included in manufacturing lines of backplanes, and will suit a variety of needs.

이에 따라, 다양한 실시예들은 인쇄된 SWCNT 기술들을 a-Si TFT-LCD 제조 라인에 통합하는 방법들에 관한 것이다. 이러한 SWCNT 백플레인들을 사용하는 것은 LTPS TFT 백플레인들이 높은 화소 밀도, 낮은 전력 소비, 그리고 유리 기판 상의 구동 회로들과의 통합을 가능하게 만든다.Accordingly, various embodiments relate to methods of integrating printed SWCNT technologies into an a-Si TFT-LCD manufacturing line. Using these SWCNT backplanes enables LTPS TFT backplanes to have high pixel density, low power consumption, and integration with driver circuits on a glass substrate.

SWCNT 선택/정제 기법들SWCNT selection/purification techniques

분리 기술의 출현으로, 순도가 95 % 초과인 초순수 단일벽 탄소나노튜브들이 생산될 수 있고, 대량 조작을 위해 스케일업될 수 있다. 이러한 공정들을 사용하여, 광범위한 지수들을 갖는 고순도 단일 키랄성 SWCNT가 생산될 수 있다. 많은 실시예들에서, 고순도 단일 키랄성 SWCNT들과 (6,4), (9,1), (8,3), (6,5), (7,3), (7,5), (10,2), (8,4), (7,6), (9,2)의 지수들을 갖는 SWCNT들을 포함하는 혼합물들이 형성된다. (6,5) SWCNT들의 NIR-Vis 흡수 스펙트럼은 도 1에 제시되어 있으며, 978 nm 및 562 nm에서 우세한 S11 및 S22 피크를 나타낸다. 이들의 전기적 특성은 무시할만한 오프 전류를 갖는 순수한 반도체의 특성들인 것을 특징으로 한다(I-V 곡선은 도 1에 삽입부로 제공됨). 이에 따라, 이러한 기술들을 사용하여 종래의 분광법을 통해 이러한 물질들의 순도를 보장할 수 있고, 선택을 위한 전기적 특성들을 결정할 수 있다.With the advent of separation technology, ultrapure single-walled carbon nanotubes with a purity greater than 95% can be produced and scaled up for mass manipulation. Using these processes, high purity single chiral SWCNTs with a wide range of indices can be produced. In many embodiments, high purity single chiral SWCNTs and (6,4), (9,1), (8,3), (6,5), (7,3), (7,5), (10 Mixtures comprising SWCNTs with indices of ,2), (8,4), (7,6), (9,2) are formed. (6,5) The NIR-Vis absorption spectrum of SWCNTs is presented in Fig. 1, showing predominant S11 and S22 peaks at 978 nm and 562 nm. Their electrical properties are characterized as those of a pure semiconductor with negligible off current (I-V curves are provided as insets in FIG. 1 ). Accordingly, these techniques can be used to ensure the purity of these materials through conventional spectroscopy and to determine their electrical properties for selection.

TFT 백플레인 제조TFT backplane manufacturing

실시예들은 산업용 TFT 백플레인 제조 라인들에서 비정질 실리콘층을 대체하기 위해 초순도 반도체 단일벽 탄소나노튜브들을 사용하기 위한 방법들 및 공정들에 관한 것이다. 특히, 도 2a 및 도 2b에 도시된 것처럼, 실시예들에 따른 CNT들의 층들은 다른 것들 중에서 하부 게이트형 식각 정지 CNT TFT들(예를 들어, 도 2a) 및 하부 게이트형 백채널(back-channel) 식각 CNT TFT들(예를 들어, 도 2b)에서 구현될 수 있다. 그러나, 방법들 및 공정들이 특정한 TFT 백플레인 구성들을 참조하여 설명될 것이지만, CNT층이 실리콘층을 대체할 수 있는 임의의 TFT 백플레인 설계는, 예를 들어 코플래너(coplanar) TFT들, 단채널(short-channeled) TFT들, 스태거드(staggered) TFT, 평면 TFT들, 그리고 자기정렬(self-aligned) TFT들을 포함하는 실시예들에 따라 구현될 수 있음이 이해될 것이다.Embodiments relate to methods and processes for using ultra-pure semiconductor single-walled carbon nanotubes to replace an amorphous silicon layer in industrial TFT backplane manufacturing lines. In particular, as shown in FIGS. 2A and 2B , the layers of CNTs according to embodiments are, among other things, bottom gated etch stop CNT TFTs (eg, FIG. 2A ) and bottom gated back-channel (back-channel). ) can be implemented in etched CNT TFTs (eg, FIG. 2B ). However, while methods and processes will be described with reference to specific TFT backplane configurations, any TFT backplane design in which a CNT layer may be substituted for a silicon layer, for example coplanar TFTs, short channel It will be appreciated that it may be implemented according to embodiments including -channeled TFTs, staggered TFTs, planar TFTs, and self-aligned TFTs.

특히 하부 게이트 식각 정지 CNT TFT들을 포함하여, 이러한 CNF TFT들을 형성하기 위해 많은 공정들이 이용될 수 있지만, 이러한 많은 실시예들은 도 3a 내지 3k에 요약되고 이하에 설명된 공정을 사용한다. 도시된 것처럼, 이 방법은 CNT 층들이 통합되는 다수의 공정 단계들을 필요로 한다. 이러한 단계들은 다음을 포함한다.Although many processes can be used to form such CNF TFTs, particularly including bottom gate etch stop CNT TFTs, many such embodiments use the process summarized in FIGS. 3A-3K and described below. As shown, this method requires multiple process steps in which the CNT layers are integrated. These steps include:

기판의 제공 및 기판 위에 패터닝된 게이트 전극의 형성(도 3a).Provision of a substrate and formation of a patterned gate electrode over the substrate (FIG. 3A).

게이트 전극층 위에 게이트 전극 유전체의 적층(도 3b).Lamination of the gate electrode dielectric over the gate electrode layer (FIG. 3B).

유전층 위에 CNT 박막 후면층의 적층(도 3c).Lamination of the CNT thin film back layer over the dielectric layer (Fig. 3c).

CNT 박막 후면층 위에 CNT 보호층의 적층(도 3d).Lamination of a CNT protective layer on the CNT thin film backside layer (Fig. 3d).

CNT 보호층을 패터닝하여, 게이트 전극 위에 CNT 후면층의 일부를 노출 시키며, CNT 보호층에 의해 덮인 CNT 박막의 적어도 에지들을 남김(도 3e).The CNT protective layer was patterned to expose a portion of the CNT back layer over the gate electrode, leaving at least the edges of the CNT thin film covered by the CNT protective layer (Fig. 3e).

CNT 박막의 노출된 부분 및 남아있는 CNT 보호층 위에 식각 스토퍼 유전층의 적층(도 3f).Lamination of an etch stopper dielectric layer over the exposed portion of the CNT thin film and the remaining CNT protective layer (Fig. 3f).

식각 스토퍼 유전층의 패터닝 및 식각하여, 게이트 전극 위의 CNT 박막의 일부 위에 선택적으로 제2 유전층을 적층시킴(도 3g).An etch stopper dielectric layer was patterned and etched to selectively deposit a second dielectric layer over a portion of the CNT thin film over the gate electrode (FIG. 3G).

남아있는 CNT 보호층을 제거하여, 게이트 전극 채널의 에지들 상에 CNT 박막을 노출시킴(도 3h).The remaining CNT protective layer was removed, exposing the CNT thin film on the edges of the gate electrode channel (Fig. 3h).

CNT 박막 및 식각 정지 유전체층 위에 n+ 도핑층의 적층(도 3i).Lamination of an n+ doped layer over the CNT thin film and etch stop dielectric layer (Fig. 3i).

n+ 도핑층 위에 드레인/소스 전극층의 적층(도 3j).Lamination of the drain/source electrode layer over the n+ doped layer (FIG. 3J).

드레인/소스 전극들의 패터닝 및 식각(도 3k).Patterning and etching of drain/source electrodes (FIG. 3K).

이러한 식각 정지(ES) CNT TFT의 공정은 몇 가지 추가적인 적층 단계들이 필요하지만, 백 채널을 보호하는 식각 정지층을 가지므로 진성층이 얇게 유지될 수 있기 때문에(예를 들어, 200 nm 미만) 일부 측면들에서 유리할 수 있다. 전술한 설명에도 불구하고, CNT 백 채널층들은 또한 예를 들어 백 채널 식각(BCE) TFT들을 포함하는 다른 구조들 및 기술들과 결합될 수 있음이 이해될 것이다. 이러한 BCE TFT를위한 예시적인 공정이 도 4a 내지 4f에서 제공되고, 이하에 설명한다. 이러한 단계들은 다음을 포함한다.The process of such an etch stop (ES) CNT TFT requires several additional stacking steps, but in part because it has an etch stop layer that protects the back channel so that the intrinsic layer can be kept thin (e.g., less than 200 nm). It can be advantageous in aspects. Notwithstanding the foregoing, it will be appreciated that CNT back channel layers may also be combined with other structures and techniques including, for example, back channel etch (BCE) TFTs. An exemplary process for such a BCE TFT is provided in Figures 4A-4F, and is described below. These steps include:

기판의 제공 및 기판 위에 패터닝된 게이트 전극의 형성(도 4a).Provision of a substrate and formation of a patterned gate electrode over the substrate (FIG. 4A).

게이트 전극층 위에 게이트 전극 유전체의 적층(도 4b).Lamination of the gate electrode dielectric over the gate electrode layer (FIG. 4B).

유전체층 위에 드레인/소스 전극 및 n+ 도핑층들 모두의 적층(도 4c).Lamination of both the drain/source electrode and n+ doped layers over the dielectric layer (FIG. 4C).

드레인/소스 전극들 및 n+ 층의 패터닝 및 식각(도 4d).Patterning and etching of drain/source electrodes and n+ layer (FIG. 4D).

N+ 층 위에 CNT 박막 후면층의 적층(도 4e).Lamination of the CNT thin film backside layer on the N+ layer (Fig. 4e).

CNT 박막 후면층 위에 보호층의 적층(도 4f).Lamination of a protective layer on the CNT thin film backing layer (Fig. 4f).

위의 방법들이 특정 적층 기술들과 관련하여 도 3 및 도 4에 설명되어 있지만, 많은 대안적인 실시예들 및 기술들이 실시예들에 따라 CNT 후면층들과 관련하여 이용될 수 있음이 이해되어야 한다.Although the above methods are described in FIGS. 3 and 4 with respect to specific deposition techniques, it should be understood that many alternative embodiments and techniques may be used in connection with CNT backlayers in accordance with embodiments. .

예를 들어, 일부 이러한 실시예들에서, 도 3a 및 도 4a에 도시된 것처럼, 게이트 전극이 위에 형성된 기판이 제공된다. 도면들에서 기판은 유리인 것으로 기재되어 있지만, 충분한 광 투과율(예를 들어, 다수의 실시예들에서 80 % 이상의 정도)을 가지며 산업 표준 공정 온도들(예를 들어, 100

Figure pat00001
이상)에서 열화에 저항할 수 있는 임의의 재료가 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 예시적인 기판 재료는 다른 것들 중에서 유리, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에테르설폰(PES), 폴리아릴레이트(PAR), 그리고 폴리카보네이트(PA)를 포함할 수 있다. 유사하게, 게이트 전극 자체는 Cu, Al, Ag, Mo, Cr, Nd, Ni, Mn, Ti, Ta, 또는 W와 같은 임의의 적합한 금속, 또는 이러한 금속들 중 둘 이상의 합금으로 이루어질 수 있다. 게이트 금속층은 단일층 구조 또는 다층 구조일 수 있으며, 다층 구조는 예를 들어 Cu/Mo, Ti/Cu/Ti, Mo/Al/Mo 등일 수 있다. 도 3a 및 4a 에 도시된 것처럼, 게이트 전극의 두께는, 예를 들어 10 nm 부터 100 μm 이상까지, 일부 실시예들에서는 약 400 nm이 임의의 적합한 크기일 수 있다.For example, in some such embodiments, as shown in FIGS. 3A and 4A , a substrate having a gate electrode formed thereon is provided. Although the substrate is described as being glass in the figures, it has sufficient light transmission (eg, on the order of 80% or greater in many embodiments) and has industry standard process temperatures (eg, 100
Figure pat00001
It should be understood that any material capable of resisting degradation in (above) may be used. Exemplary substrate materials may include glass, polyethylene terephthalate (PET), polyethersulfone (PES), polyarylate (PAR), and polycarbonate (PA), among others. Similarly, the gate electrode itself may be made of any suitable metal, such as Cu, Al, Ag, Mo, Cr, Nd, Ni, Mn, Ti, Ta, or W, or an alloy of two or more of these metals. The gate metal layer may have a single-layer structure or a multi-layer structure, and the multi-layer structure may be, for example, Cu/Mo, Ti/Cu/Ti, Mo/Al/Mo, or the like. As shown in FIGS. 3A and 4A , the thickness of the gate electrode may be of any suitable size, for example, from 10 nm to 100 μm or more, and in some embodiments about 400 nm.

마찬가지로, 게이트 전극을 적층하기 위한 공정이 스퍼터링 및 패터닝 단계들을 포함하는 것으로 열거되어 있지만, 기판 위에 게이트 전극들을 패터닝하고 적층하기 위해 많은 적합한 표준 산업 공정들이 이용될 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 스퍼터링(또는 물리 기상증착)은 다른 것들 중에서, 전자, 포텐셜, 식각, 그리고 화학적 스퍼터링 중 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 적층 기술들은 대안적으로 예를 들어 화학(CVD), 플라즈마 강화 기상증착(PECVD), 및/또는 열 증발 등을 포함할 수 있다.Likewise, although a process for depositing a gate electrode is listed as including sputtering and patterning steps, it should be understood that many suitable standard industrial processes may be used for patterning and depositing gate electrodes over a substrate. For example, sputtering (or physical vapor deposition) may include one or a combination of electron, potential, etching, and chemical sputtering, among others. The deposition techniques may alternatively include, for example, chemical (CVD), plasma enhanced vapor deposition (PECVD), and/or thermal evaporation, and the like.

유사하게, 하부 게이트 전극의 패터닝은 임의의 적합한 포토레지스트 및 식각 화학 물질들의 이용을 포함하여 습식 또는 건식 식각과 같은 임의의 적합한 광조판(photoengraving) 공정을 포함할 수 있다. 이러한 많은 실시예들에서, 게이트 전극층은 적합한 포토레지스트의 층으로 코팅될 수 있고, 포토레지스트는 마스크 플레이트에 의해 노광 및 현상되어, 포토레지스트 비보유 영역 및 포토레지스트 보유 영역을 각각 형성할 수 있다. 이러한 많은 실시예들에서, 포토레지스트 보유 영역은 게이트 전극이 배치된 영역에 대응하고, 포토레지스트 비보유 영역은 다른 영역들에 대응한다. 이러한 실시예들에서, 포토레지스트 비보유 영역의 게이트 금속층은 식각 공정에 의해 완전히 식각될 수 있고, 나머지 포토레지스트는 제거되어, 게이트 전극이 형성된다.Similarly, patterning of the bottom gate electrode may include any suitable photoengraving process, such as wet or dry etching, including the use of any suitable photoresist and etch chemistries. In many such embodiments, the gate electrode layer may be coated with a layer of a suitable photoresist, which may be exposed and developed by a mask plate to form non-photoresist and photoresist holding regions, respectively. In many such embodiments, the photoresist holding region corresponds to the region where the gate electrode is disposed, and the photoresist non-retaining region corresponds to other regions. In such embodiments, the gate metal layer of the non-photoresist region may be completely etched away by an etching process, and the remaining photoresist is removed to form a gate electrode.

일단 게이트 전극이 형성되면, 도 3b 및 도 4b에 도시된 것처럼, 적절한 유전체층이 기판 및 게이트 전극층 위에 형성된다. 또한, PECVD 공정 및 SiN 유전체 재료가 도면들에 특정되어 있지만, 임의의 적절한 유전체 재료 및 적층 공정이 방법들과 통합될 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 많은 실시예들에서, 유전체층은 예를 들어 SiNx, SiOx, TaOx, AlOx 또는 Si(ON)x와 같은 무기 및 유기 재료들, 산화물, 질화물, 또는 질소 산화물로 이루어질 수 있다. 또한, 유전체층은 단일층 구조, 이중층 구조, 또는 다층 구조일 수 있다. 이러한 구조들의 두께는 유전 기능을 제공하기에 적합한 임의의 크기를 가질 수 있다. 또한, 예를 들어 마그네트론 스퍼터링, 열 증발, CVD(원격 플라즈마, 광촉매 등), PECVD, 스핀 코팅, 그리고 액체상 성장 등을 포함하는 임의의 적합한 필름화 공정에 의해, 유전체층은 기판 및 게이트 전극 위에 형성될 수 있다. 도 3b 및 4b에 도시된 것처럼, 이러한 다양한 실시예들에서, CNT TFT들은 PECVD를 통해 약 200 nm의 두께로 적층된 SiNx/SiO2 층들을 포함한다. 마지막으로, 필요한 경우 SiHx, NHx, N2, 그리고 수소 자유 라디칼 및 이온들을 포함하는 이러한 유전체 물질들과 관련하여 다양한 공급원료(feedstock) 가스 분자가 제조될 수 있다. 도 3f에 형성된 식각-정지층들, 그리고 도 4f에 도시된 보호층을 포함하여 다른 보호층들에 대해 유사한 기술들 및 재료들이 사용될 수 있다. 이러한 단계들에서, 보호 재료들의 적층 온도들 및 두께들은 필요에 따라 선택될 수 있다.Once the gate electrode is formed, a suitable dielectric layer is formed over the substrate and the gate electrode layer, as shown in Figures 3B and 4B. Also, although a PECVD process and a SiN dielectric material are specified in the figures, it should be understood that any suitable dielectric material and deposition process may be incorporated with the methods. For example, in many embodiments, the dielectric layer may be made of oxide, nitride, or nitrogen oxide, inorganic and organic materials such as, for example, SiNx, SiOx, TaOx, AlOx or Si(ON)x. Further, the dielectric layer may have a single-layer structure, a double-layer structure, or a multi-layer structure. The thickness of these structures can be of any size suitable to provide a dielectric function. Further, the dielectric layer can be formed over the substrate and gate electrode by any suitable filming process including, for example, magnetron sputtering, thermal evaporation, CVD (remote plasma, photocatalytic, etc.), PECVD, spin coating, and liquid phase growth, etc. can 3B and 4B, in various such embodiments, the CNT TFTs include SiNx/SiO 2 layers deposited via PECVD to a thickness of about 200 nm. Finally, various feedstock gas molecules can be prepared with these dielectric materials including SiHx, NHx, N 2 , and hydrogen free radicals and ions, if desired. Similar techniques and materials may be used for other passivation layers, including the etch-stop layers formed in FIG. 3F, and the passivation layer shown in FIG. 4F. In these steps, the deposition temperatures and thicknesses of the protective materials can be selected as needed.

TFT가 ES인지 또는 BEC TFT인지에 관계없이, 모든 TFT들은 또한 도 3i 및 3j에 도시된 것처럼 n+ 및 드레인/소스 층들의 적층을 필요로 한다. 비록 도면들이 대략 400 nm Mo 드레인/소스 층의 스퍼터 증착, 그리고 얇은(10 nm 미만) n+ 도핑 층의 PECVD 증착을 보여 주지만, 증착 기술들 및 재료들의 임의의 적절한 조합이 이용될 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 드레인/소스 전극층은 Cu, Al, Ag, Mo, Cr, Nd, Ni, Mn, Ti, Ta, 또는 W와 같은 임의의 적합한 금속, 또는 이러한 금속들 중 둘 이상의 합금으로 이루어질 수 있다. 게이트 금속층은 단일층 구조 또는 다층구조일 수 있고, 다층 구조는 예를 들어 Cu/Mo, Ti/Cu/Ti, Mo/Al/Mo 등일 수 있다. 게이트 전극의 두께는 유사하게 임의의 적합한 크기, 예를 들어 도면들에 도시 된 것처럼 10 nm 부터 100 μm 이상까지, 그리고 일부 실시예들에서 약 400 nm일 수 있다. 마찬가지로, 전극을 증착하기 위한 공정은 스퍼터링 및 패터닝 단계들을 포함하는 것으로 열거되어 있지만, 기판 위에 게이트 전극을 패터닝 및 증착하기 위해 많은 적합한 표준 산업 공정들이 이용될 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 스퍼터링(또는 물리 기상증착)은 전자, 포텐셜, 식각, 그리고 화학적 스퍼터링 중 하나 또는 그 조합을 포함할 수 있다. 증착 기술들은 대안적으로 예를 들어 화학적 (CVD), 플라즈마 강화 기상증착 (PECVD), 및/또는 열 증발 등을 포함할 수 있다.Regardless of whether the TFT is an ES or BEC TFT, all TFTs also require lamination of n+ and drain/source layers as shown in Figs. 3i and 3j. Although the figures show sputter deposition of an approximately 400 nm Mo drain/source layer, and PECVD deposition of a thin (less than 10 nm) n+ doped layer, it should be understood that any suitable combination of deposition techniques and materials may be used. do. For example, the drain/source electrode layer may be made of any suitable metal, such as Cu, Al, Ag, Mo, Cr, Nd, Ni, Mn, Ti, Ta, or W, or an alloy of two or more of these metals. . The gate metal layer may have a single-layer structure or a multi-layer structure, and the multi-layer structure may be, for example, Cu/Mo, Ti/Cu/Ti, Mo/Al/Mo, or the like. The thickness of the gate electrode can likewise be of any suitable size, for example from 10 nm to 100 μm or more as shown in the figures, and in some embodiments about 400 nm. Likewise, although a process for depositing an electrode is listed as including sputtering and patterning steps, it should be understood that many suitable standard industrial processes may be used for patterning and depositing a gate electrode over a substrate. For example, sputtering (or physical vapor deposition) may include one or a combination of electron, potential, etching, and chemical sputtering. Deposition techniques may alternatively include, for example, chemical (CVD), plasma enhanced vapor deposition (PECVD), and/or thermal evaporation, and the like.

유사하게, 임의의 적합한 n+ 재료가 실시예들에 따라 TFT들에 통합될 수 있고, 예를 들어 n+ 도핑된 비정질 Si, 또는 갈륨의 비소 및 포스파이드, 그리고 카드뮴의 텔루라이드 및 황화물을 포함하는 다른 적합한 반도체들을 포함한다. 마찬가지로, 적합한 플라즈마 및/또는 n형 도핑 재료는 예를 들어, 인, 비소, 안티몬, 비스무트, 리튬, 베릴륨, 아연, 크롬, 게르마늄, 마그네슘, 주석, 리튬, 그리고 나트륨을 포함하는 반도체들과 함께 사용될 수 있다. 또한, 이러한 재료들은 전술한 것처럼 열적, 물리적, 플라즈마, 그리고 화학적 기상증착 기술들을 포함하는 임의의 적합한 적층 기술로 적층될 수 있다. 일부 적당한 기술들은 예를 들어 에어로졸 보조 CVD, 직접 액체 주입 CVD, 마이크로파 플라즈마 보조 CVD, 원자층 CVD, 연소 화학기상증착, 고온 필라멘트 CVD, 하이브리드 물리화학기상증착, 급속 열 CVD, 기상 에피택시, 그리고 광 개시 CVD를 포함한다. 대안적으로, 더 얇고 더 정밀한 층들을 위해 원자층 적층이 CVD로 대체될 수 있다.Similarly, any suitable n+ material may be incorporated into TFTs according to embodiments, for example n+ doped amorphous Si, or other including arsenic and phosphides of gallium, and telluride and sulfides of cadmium. suitable semiconductors. Likewise, suitable plasma and/or n-type doping materials may be used with semiconductors comprising, for example, phosphorus, arsenic, antimony, bismuth, lithium, beryllium, zinc, chromium, germanium, magnesium, tin, lithium, and sodium. can In addition, these materials may be deposited by any suitable deposition technique, including thermal, physical, plasma, and chemical vapor deposition techniques as described above. Some suitable techniques include, for example, aerosol assisted CVD, direct liquid injection CVD, microwave plasma assisted CVD, atomic layer CVD, combustion chemical vapor deposition, high temperature filament CVD, hybrid physical chemical vapor deposition, rapid thermal CVD, vapor phase epitaxy, and photovoltaic CVD. Including initiating CVD. Alternatively, atomic layer deposition can be replaced with CVD for thinner and more precise layers.

이러한 공정들에서 다수의 단계들은 또한 재료들의 패터닝 및 식각(예를 들어, 3e, 3h, 3k, 그리고 4d 참조)을 필요로 한다. 이러한 공정들에서, 임의의 적합한 패터닝 및 식각 기술이 실시예들과 통합될 수 있다. 특히, 많은 단계들은 보호층이 적층되고 보호층을 통해 패턴이 형성되는 패터닝 공정을 포함한다. 구체적으로, 많은 실시예들에서 보호층은 임의의 적합한 포토레지스트층으로 코팅될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 포토레지스트는 마스크 플레이트에 의해 노광 및 현상되어, 포토레지스트 비보유 영역 및 포토레지스트 보유 영역을 각각 형성할 수 있다. 예를 들어, 비보유 영역의 포토레지스트는 다양한 실시예들에서 보호층의 비아 홀(via hole)이 배치되는 영역에 대응할 수 있다.Multiple steps in these processes also require patterning and etching of materials (see, eg, 3e, 3h, 3k, and 4d). In these processes, any suitable patterning and etching technique may be incorporated with the embodiments. In particular, many of the steps include a patterning process in which a protective layer is deposited and a pattern is formed through the protective layer. Specifically, in many embodiments the protective layer may be coated with any suitable layer of photoresist. In such embodiments, the photoresist may be exposed and developed by a mask plate to form a photoresist non-retaining region and a photoresist retaining region, respectively. For example, the photoresist in the non-retained region may correspond to a region in which a via hole of the protective layer is disposed in various embodiments.

임의의 적합한 광학 포토리소그래피 기술은, 다른 것들 중에서, 예를 들어 침지(immersion) 리소그래피, 이중톤(dual-tone) 레지스트 및 다중 패터닝 전자빔 리소그래피, X- 레이 리소그래피, 극자외선 리소그래피, 이온 프로젝션 리소그래피, 극자외선 리소그래피, 나노 임프린트 리소그래피, 딥펜(dip-pen) 나노 리소그래피, 화학 리소그래피, 소프트 리소그래피, 그리고 마그네토(magneto) 리소그래피 등을 포함하여 사용될 수 있다.Any suitable optical photolithography technique may be, among others, for example, immersion lithography, dual-tone resist and multiple patterning electron beam lithography, X-ray lithography, extreme ultraviolet lithography, ion projection lithography, polar Ultraviolet lithography, nanoimprint lithography, dip-pen nanolithography, chemical lithography, soft lithography, magneto lithography, and the like may be used.

사용된 특정 기술들 및 광원에 관계없이, 이러한 리소그래피 기술들은 일반적으로 여러 단계들을 포함한다. 많은 실시예들에서, 패턴화될 층은 먼저 예를 들어 스핀 코팅에 의해 포토레지스트로 코팅된다. 이러한 기술들에서, 포토레지스트의 점성, 액상 용액이 웨이퍼 상에 분배되고, 웨이퍼는 균일하게 두꺼운 층을 생성하기 위해 빠르게 회전된다. 스핀 코팅은 일반적으로 30 내지 60 초 동안 1200 내지 4800 rpm에서 작동하고, 0.5 내지 2.5 마이크로미터 두께의 층을 생성한다. 스핀 코팅 공정은 일반적으로 5 내지 10 나노미터 또는 그 이상의 균일성을 갖는 균일한 박층을 만든다. 다양한 실시예들에서, 포토레지스트-코팅된 재료는 이후 핫 플레이트상에서 일반적으로 90 내지 100 ℃에서 30 내지 60 초 동안 그리고 과잉의 포토레지스트 용매를 제거하기 위해 프리 베이킹될 수 있다. 액체("습식") 또는 플라즈마("건식") 중 하나의 화학 작용제에 의해 식각된 후에, 층에서 마스킹되지 않은 부분들이 포토레지스트에 의해 보호되지 않는 영역들에서 기판의 최상층이 제거된다. 포토레지스트가 더 이상 필요하지 않으면, 기판으로부터 포토레지스트가 제거된다. 이러한 포토레지스트는 화학적으로 또는 플라즈마에 의해 또는 가열에 의해 제거될 수 있다.Regardless of the specific techniques and light source used, these lithographic techniques generally include several steps. In many embodiments, the layer to be patterned is first coated with a photoresist, for example by spin coating. In these techniques, a viscous, liquid solution of photoresist is dispensed onto a wafer, and the wafer is rotated rapidly to create a uniformly thick layer. Spin coating is typically operated at 1200 to 4800 rpm for 30 to 60 seconds and produces a layer 0.5 to 2.5 micrometers thick. The spin coating process generally produces a thin, uniform layer with a uniformity of 5 to 10 nanometers or better. In various embodiments, the photoresist-coated material may then be pre-baked on a hot plate at typically 90-100° C. for 30-60 seconds and to remove excess photoresist solvent. After being etched by a chemical agent, either liquid (“wet”) or plasma (“dry”), the top layer of the substrate is removed in areas where unmasked portions of the layer are not protected by the photoresist. When the photoresist is no longer needed, the photoresist is removed from the substrate. This photoresist may be removed chemically or by plasma or by heating.

기판들, 전극들, 유전체들, 보호층들 등을 위한 특정한 재료들, 그리고 두께들, 온도들 등을 포함하는 특정한 조건들뿐만 아니라, 특정한 적층 및 패터닝 방법들이 개시되지만, 이러한 파라미터들 중 임의의 것은 본 명세서에 개시된 CNT들을 포함하는 실시예들의 원리를 근본적으로 변경하지 않으면서 특정한 TFT 구성 및 동작 파라미터들에 대해 필요에 따라 조정될 수 있다.Certain deposition and patterning methods are disclosed, as well as specific materials for the substrates, electrodes, dielectrics, protective layers, etc., and specific conditions including thicknesses, temperatures, etc., but any of these parameters It may be adjusted as needed for a particular TFT configuration and operating parameters without fundamentally changing the principles of embodiments comprising CNTs disclosed herein.

SWCNT 적층 기술들SWCNT stacking techniques

TFT들에 CNT층들을 적층하기 위한 방법들의 실시예들을 참조하면, 많은 실시예들에서 다양한 적층 및 분무 방법들을 포함하는 다양한 기술들이 사용될 수 있다.Referring to embodiments of methods for depositing CNT layers on TFTs, various techniques may be used in many embodiments, including various deposition and spraying methods.

많은 실시예들에서, 도 5a 내지 도 5c와 관련하여 기술된 것처럼 이동 스테이션 제조 라인과 관련하여, 공기, 에어로졸, 또는 초음파 분무와 같은 분무 기술을 사용하여, 단일벽 탄소나노튜브 박막들은 용액 코팅된다. 도 5a에 도시된 것처럼, 많은 실시예들에서, 위에 기판들이 적재되는 이동 스테이션이 제공되며, 바람직한 공정 온도(예를 들어, 60 내지 200 ℃ 또는 하부 물질들 및 CNT 물질들 자체에 의해 허용되는 임의의 온도)에서 기판들을 가열하면서, 탄소나노튜브 용액과 관련하여 적절한 크기(예를 들어, 4인치 내지 100인치)의 기판들 위에 예를 들어 에어로졸에 의해 또는 에어스프레이 코팅에 의해 분무될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 스테이션의 이동 속도는 필름 두께 및 균일성을 유지하도록 제어될 수 있다(예를 들어, 1mm/s-1000mm/s).In many embodiments, single-walled carbon nanotube thin films are solution coated, using atomizing techniques such as air, aerosol, or ultrasonic atomization, in connection with a mobile station manufacturing line as described with respect to FIGS. 5A-5C . . As shown in FIG. 5A , in many embodiments, a mobile station is provided on which substrates are loaded, and a desired processing temperature (eg, 60-200° C. or any other allowed by the underlying materials and the CNT materials themselves) is provided. While heating the substrates at a temperature of ), the carbon nanotube solution may be sprayed onto substrates of an appropriate size (eg, 4 inches to 100 inches) by, for example, aerosol or air spray coating. In such embodiments, the movement speed of the station may be controlled to maintain film thickness and uniformity (eg, 1 mm/s-1000 mm/s).

다른 실시예들에서, 초음파 스프레이 코팅이 사용될 수 있다. 도 5b에 도시된 것처럼, 이러한 실시예들에서 압축 공기의 스트림은 흡인기(aspirator)를 통과하며, 이는 공기의 압력을 국부적으로 감소시켜, 정상 대기압에서 탄소나노튜브 용액을 용기로부터 끌어낼 수 있도록 만든다. 공정 동안, 초음파 노즐은 탄소나노튜브 용액을 예를 들어 직경이 수 ㎛ 내지 약 1000 ㎛인 매우 작은 액적으로 분무한다. 그 후, 작은 액적들이 적절한 공정 온도(예를 들어, 최대 400 ℃에서 기판 상에 적층되어, 액적들이 즉시 건조되어 O-링 응집체들(O-ring aggregations)를 완화시킨다. 다양한 실시예들에서, 100 ℃의 온도가 사용될 수 있다. 임의의 적합한 공기압이 사용될 수 있지만(재료의 점도에 따라 다름), 많은 실시예들에서 압축 공기압은 용액 점도 및 적층에 필요한 흡인기의 크기에 의존하여 20psi(1.38bar) 내지 100psi(6.8bar) 범위일 수 있다.In other embodiments, ultrasonic spray coating may be used. As shown in Figure 5b, in these embodiments a stream of compressed air is passed through an aspirator, which locally reduces the pressure of the air, making it possible to draw the carbon nanotube solution from the vessel at normal atmospheric pressure. During the process, the ultrasonic nozzle atomizes the carbon nanotube solution into very small droplets having a diameter of, for example, several μm to about 1000 μm. Small droplets are then deposited onto the substrate at an appropriate processing temperature (eg, up to 400° C.) so that the droplets are immediately dried to mitigate O-ring aggregations. In various embodiments, A temperature of 100° C. may be used, although any suitable air pressure may be used (depending on the viscosity of the material), but in many embodiments the compressed air pressure will be 20 psi (1.38 bar) depending on the solution viscosity and the size of the aspirator required for lamination. ) to 100 psi (6.8 bar).

에어로졸 스프레이 코팅(도 5c에 도시된 것처럼)을 포함하는 실시예들에서, 탄소나노튜브 용액은 고압 가스(예를 들어, 200-1000 표준 입방 센티미터/분(sccm)), 또는 초음파 처리(예를 들어, 20 V-48 V, 10-100 와트)를 사용하여 분무될 수 있으며, 캐리어 가스(예를 들어 10-30 sccm)에 의해 스프레이 헤드로 가져 오는 1-5 미크론 에어로졸을 생성한다. 이러한 공정 파라미터들은 단지 예시적인 것이며, 재료의 유형, 원하는 에어로졸의 성질, 그리고 형성될 코팅의 두께에 의존하여 다른 적층 특성들이 이용될 수 있음이 이해되어야 한다.In embodiments comprising an aerosol spray coating (as shown in FIG. 5C ), the carbon nanotube solution is subjected to high pressure gas (e.g., 200-1000 standard cubic centimeters/minute (sccm)), or sonication (e.g., For example, 20 V-48 V, 10-100 watts) can be used to create a 1-5 micron aerosol that is brought to the spray head by a carrier gas (eg 10-30 sccm). It should be understood that these process parameters are exemplary only and that other lamination properties may be utilized depending on the type of material, the properties of the aerosol desired, and the thickness of the coating to be formed.

도 6 및 7은 실시예들에 따른 에어브러쉬(airbrush) 기술(도 6) 및 에어로졸 기술(도 7)을 사용하여 기판들 상에 코팅된 SWCNT 스프레이의 박막들의 이미지들을 도시한다. 많은 실시예들에서, 이렇게 형성된 탄소나노튜브 박막들은 에어브러쉬 스프레이 또는 에어로졸 스프레이에 의해 생성된 아세트산 가스에 의해 처리된 다음, 이소프로판올로 세척되어, 투명한 탄소나노튜브 표면들을 달성한다. 투명 탄소나노튜브 표면들은 원자력 현미경(AFM)으로 특성화된다. 이러한 샘플들은 이러한 기판들의 높은 절연성으로 인해 주사 전자 현미경을 사용하여 유리 기판상에서 특성화될 수 없었다. 도시된 것처럼, 도 8은 에어브러쉬 분무된 SWCNT 박막의 AFM 이미지를 제공하고, 도 9는 에어로졸 분무된 SWCNT 박막의 AFM 이미지를 제공한다. 이러한 이미지는 적층 공정의 강력한 특성과 SWCNT의 고품질 박막 코팅을 적층할 수 있는 능력을 증명하도록 만든다.6 and 7 show images of thin films of SWCNT spray coated on substrates using an airbrush technique ( FIG. 6 ) and an aerosol technique ( FIG. 7 ) according to embodiments. In many embodiments, the carbon nanotube thin films thus formed are treated with acetic acid gas generated by airbrush spray or aerosol spray and then washed with isopropanol to achieve transparent carbon nanotube surfaces. Transparent carbon nanotube surfaces were characterized by atomic force microscopy (AFM). These samples could not be characterized on glass substrates using scanning electron microscopy due to the high insulating properties of these substrates. As shown, FIG. 8 provides an AFM image of an airbrush sprayed SWCNT thin film, and FIG. 9 provides an AFM image of an aerosol sprayed SWCNT thin film. These images make it possible to demonstrate the robust nature of the deposition process and the ability of SWCNTs to deposit high-quality thin film coatings.

실시예들에서, 이러한 스프레이 코팅 공정들에 따라 형성된 탄소나노튜브 박막들은 4-포토마스크 포토리소그래피 공정들에서 비정질 실리콘을 대체하여 사용되어, 도 3 및 4와 관련하여 전술한 것처럼, 산업 제조 표준 방법들에 따라 드레인/소스 전극들, 유전체들, 상부 게이트형 전극들, 그리고 화소 전극들을 패터닝한다.In embodiments, carbon nanotube thin films formed according to these spray coating processes are used to replace amorphous silicon in 4-photomask photolithography processes, and as described above with reference to FIGS. 3 and 4 , an industrial manufacturing standard method The drain/source electrodes, the dielectrics, the upper gate-type electrodes, and the pixel electrodes are patterned according to the patterns.

도 3 및 4에 도시된 실시예들이 채널을 넘어서 연장되는 것으로 도시되어 있지만, 서브임계 전류 누설을 감소시키기 위해, 다른 실시예들은 포토리소그래피를 사용하여 활성 탄소나노튜브 박막을 패터닝하기 위해 적어도 하나의 추가 포토마스크를 이용할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 예를 들어 O2 플라즈마 또는 습식 식각과 같은 적절한 식각 기술에 의해, 트랜지스터 채널들의 외부의 CNT층이 제거될 수 있다. 이러한 다양한 실시예들에서, 투명한 균일 탄소나노튜브 박막은 포토레지스트(PR) 코팅되고 광노출된 후, 용액 현상될 수 있다. 이러한 현상된 영역들에서, 예를 들어 O2 플라즈마 또는 습식 화학 식각, 예를 들어 버퍼링된 HF 용액을 사용하여 탄소나노튜브 박막이 식각된다. 이어서, 현상되지 않은 PR은 박리되어, 패터닝된 탄소나노튜브 박막을 남긴다. 이러한 방법의 일 실시예를 제공하는 흐름도가 도 10에 제공된다. 흐름도에 열거된 임의의 단계들 및 기술들은 전술한 것처럼 대안으로 대체될 수 있음이 이해되어야 한다.Although the embodiments shown in FIGS. 3 and 4 are shown extending beyond the channel, to reduce sub-threshold current leakage, other embodiments use photolithography to pattern at least one activated carbon nanotube thin film. Additional photomasks are available. In such embodiments, the CNT layer outside of the transistor channels may be removed by an appropriate etching technique, such as, for example, O 2 plasma or wet etching. In these various embodiments, the transparent uniform carbon nanotube thin film may be solution-developed after being coated with photoresist (PR) and exposed to light. In these developed regions, the carbon nanotube thin film is etched using, for example, O 2 plasma or wet chemical etching, for example, a buffered HF solution. Then, the undeveloped PR is peeled off, leaving a patterned carbon nanotube thin film. A flow chart providing one embodiment of such a method is provided in FIG. 10 . It should be understood that any of the steps and techniques listed in the flowchart may be substituted for as described above.

또 다른 실시예들에서, 활성 탄소나노튜브들을 패턴화하기 위한 여분의 포토마스크의 사용을 감소시키고 탄소나노튜브 용액의 소비를 감소시키기 위해, SWCNT 박막들은 기판 위에 인쇄될 수 있다. 이러한 많은 실시예들에서, 에어로졸 제트 프린터는 작은 노즐 크기(예를 들어, 100 ㎛ 미만)를 사용하여 활성 탄소나노튜브 박막을 인쇄하는데 사용될 수 있다. 에어로졸 제트 프린터는 2 μm의 등록 정확도로 10 μm 미만의 선폭을 적층할 수 있다. 이를 위해 에어로졸 제트 프린터는 패터닝된 드레인/소스 마크들 위에 탄소나노튜브들을 인쇄한다. 이러한 에어로졸 프린팅 설정의 이미지가 도 11에 제공된다. 도 12는 SWCNT 필름들을 인쇄하기 전에 예시적인 드레인/소스 마크들의 사진 및 광학 이미지들을 도시한다. 도 13은 드레인/소스 마크들 상에 인쇄된 SWCNT 박막의 사진 이미지 및 광학 이미지들을 제공한다. 전술한 것처럼, 에어로졸 제트 인쇄된 탄소나노튜브들은 에어로졸 스프레이 또는 에어브러쉬 스프레이 아세트산 가스로 처리되고, 이어서 이소프로판올로 세척될 수 있다. 이러한 투명 탄소나노튜브 박막들은 SEM으로 특성화될 수 있다. 실시예들에 따라, SEM 이미지(도 14)는 드레인/소스 마커들 상에 투명한 탄소나노튜브 필름들을 디스플레이한다. 도 15에 도시된 것처럼, 투명 탄소나노튜브 필름들은 반도체 특성들을 나타내는 Keithly 4200 반도체 특성화 시스템으로 특성화되었다.In still other embodiments, to reduce the use of an extra photomask for patterning the activated carbon nanotubes and to reduce the consumption of the carbon nanotube solution, SWCNT thin films can be printed onto a substrate. In many of these embodiments, an aerosol jet printer can be used to print activated carbon nanotube thin films using small nozzle sizes (eg, less than 100 μm). Aerosol jet printers can deposit linewidths of less than 10 μm with a registration accuracy of 2 μm. To this end, an aerosol jet printer prints carbon nanotubes on the patterned drain/source marks. An image of this aerosol printing setup is provided in FIG. 11 . 12 shows photographic and optical images of exemplary drain/source marks prior to printing SWCNT films. 13 provides photographic and optical images of a thin film of SWCNT printed on the drain/source marks. As described above, the aerosol jet printed carbon nanotubes may be treated with an aerosol spray or airbrush spray acetic acid gas, and then washed with isopropanol. These transparent carbon nanotube thin films can be characterized by SEM. According to embodiments, the SEM image ( FIG. 14 ) displays transparent carbon nanotube films on drain/source markers. As shown in FIG. 15 , the transparent carbon nanotube films were characterized with the Keithly 4200 semiconductor characterization system to exhibit semiconductor properties.

적은 수의 공정 단계들, 제한된 양의 재료, 그리고 높은 처리량으로 인해, 저비용, 낮은 환경 영향, 그리고 대면적 제조를 추가로 이용하기 위해, 실시예들은 고속 공정을 갖는 롤-투-롤 시스템과 함께 전술한 에어로졸 제트 인쇄 방법들(등록 정확도가 1 ~ 2 μm인 고정밀도 포함)을 제안한다. 이러한 롤-투-롤 에어로졸 제트 프린터의 사용으로, SWCNT 잉크는 a-Si TFT 백플레인 제조 라인에서 대량 생산할 수 있는 빠른 방식으로 인쇄될 수 있다. 또한 완전히 인쇄된 SWCNT TFT 백플레인들은 롤-투-롤 시스템을 사용하여 대량으로 제작될 수 있다. 산업 속도와 일치시키기 위해, 도 16에 도시된 것처럼, 실시예들은 이동 스테이션 상에 장착된 다수의 에어로졸 제트 프린터 헤드들이 고속인쇄 탄소나노튜브 박막들에 사용될 수 있다는 것을 개시한다. 이동 스테이션 위에서, 이러한 다중 에어로졸 제트 프린터 헤드들은 다수의 탄소나노튜브 패턴들을 인쇄할 수 있다.Due to the small number of process steps, limited amount of material, and high throughput, to further take advantage of low cost, low environmental impact, and large area manufacturing, embodiments are described in conjunction with a roll-to-roll system with a high-speed process. The aforementioned aerosol jet printing methods (including high precision with registration accuracy of 1 to 2 μm) are proposed. With the use of these roll-to-roll aerosol jet printers, SWCNT inks can be printed in a fast manner that can be mass-produced on an a-Si TFT backplane manufacturing line. In addition, fully printed SWCNT TFT backplanes can be fabricated in high volume using a roll-to-roll system. In order to match industrial speed, as shown in Figure 16, embodiments disclose that multiple aerosol jet printer heads mounted on a mobile station can be used for high-speed printing carbon nanotube thin films. Above the mobile station, these multiple aerosol jet printer heads can print multiple carbon nanotube patterns.

예시적인 실시예들Exemplary embodiments

추가적인 실시예들 및 특징들은 아래의 예시적인 실시예들에서 부분적으로 설명되었으며, 본 명세서를 검토할 때 당업자에게 명백하게 되거나 본 발명의 실시에 의해 학습될 수 있다. 본 명세서 및 도면들의 나머지 부분들의 범위를 제한하기 위해 특정한 실시예들 중 어느 것도 제안되지 않으며, 이들은 본 명세서에 개시된 장치들, 방법들, 그리고 재료들의 예로서 제공된다. 특히, 특정한 구조들 및 재료들의 특정한 조합들이 언급되었지만, 이들은 단지 예시들로서 제공되고, 임의의 적합한 대안적인 아키텍처들 및 재료들로 대체될 수 있음이 이해되어야 한다.Additional embodiments and features are set forth in part in the illustrative embodiments below, and will become apparent to those skilled in the art upon review of the specification or may be learned by practice of the invention. None of the specific embodiments are proposed to limit the scope of the remainder of the specification and drawings, which are provided by way of example of the apparatuses, methods, and materials disclosed herein. In particular, although specific combinations of structures and materials have been recited, it is to be understood that these are provided as examples only, and that any suitable alternative architectures and materials may be substituted.

실시예 1: 종래의 a-Si TFT 및 CNT TFT 기술들의 비교Example 1: Comparison of conventional a-Si TFT and CNT TFT technologies

제조 라인들 상에 비정질 실리콘 TFT 백플레인을 제조하기 위한 예시적인 방법에 대한 흐름도가 도 17에 제공된다. 이러한 방법에 도시된 것처럼, 비정질 Si는 플라즈마 강화 화학기상증착에 의해 넓은 영역들에 걸쳐 적층되고, 이어서 다른 장치들은 다른 종래의 제조 단계들에 따라 제조된다. 실시예들에서, 비정질 실리콘은 CNT들로 대체될 수 있다. 이러한 CNT 필름들은 전술한 기술들에 따라 적층 및/또는 인쇄될 수 있다. 실시예들에 따른 이러한 투명한 탄소나노튜브 박막들을 사용하여, 도 18 및 도 19에 도시된 것처럼 표준 산업 제조 방법들은 드레인/소스 전극들, 유전체들, 상부 게이트형 전극들 그리고 화소 전극들을 추가로 패터닝하는데 사용될 수 있다.A flowchart of an exemplary method for fabricating an amorphous silicon TFT backplane on fabrication lines is provided in FIG. 17 . As shown in this method, amorphous Si is deposited over large areas by plasma enhanced chemical vapor deposition, and then other devices are fabricated according to different conventional fabrication steps. In embodiments, amorphous silicon may be replaced with CNTs. These CNT films can be laminated and/or printed according to the techniques described above. Using these transparent carbon nanotube thin films according to embodiments, standard industrial manufacturing methods further pattern drain/source electrodes, dielectrics, top gate-type electrodes and pixel electrodes as shown in FIGS. 18 and 19 . can be used to

실시예 3: SWCNT TFTExample 3: SWCNT TFT

전술한 기술들을 사용하여, 예를 들어 도 20에 도시된 것처럼 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터를 형성하는 것이 가능하다.Using the above-described techniques, it is possible to form a single-walled carbon nanotube thin film transistor as shown in FIG. 20, for example.

실시예 2: 디스플레이Example 2: Display

마지막으로, 앞선 예시적인 실시예들 및 논의는 개별 장치들 및 백플레인들을 위한 방법들, 아키텍처들, 그리고 구조들에 초점을 맞추었지만, 동일한 아키텍처들 및 구조들이 화소들로서 디스플레이 장치에 결합될 수 있음이 이해될 것이다. 이러한 실시예들에서, 본 명세서에 설명된 것처럼 장치들을 어드레싱 전극 라인들에 전자적으로 결합하는 것과 같이 당업자에게 잘 알려진 것처럼, 복수의 SWCNT TFT들이 결합 및 상호 연결될 수 있으며, AMOLED 디스플레이와 같은 디스플레이를 위한 TFT 백플레인이 형성된다.Finally, although the preceding exemplary embodiments and discussion have focused on methods, architectures, and structures for individual devices and backplanes, it is understood that the same architectures and structures may be coupled to a display device as pixels. will be understood In such embodiments, a plurality of SWCNT TFTs may be coupled and interconnected, as is well known to those skilled in the art, such as electronically coupling devices to addressing electrode lines as described herein, for a display such as an AMOLED display. A TFT backplane is formed.

균등론equality

여러 실시예들을 설명하였지만, 본 발명의 사상을 벗어나지 않으면서 다양한 변형들, 대안적인 구성들, 그리고 등가물들이 사용될 수 있음이 당업자에게 인식될 것이다. 또한, 본 발명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해 다수의 공지된 방법들 및 요소들이 설명되지 않았다. 따라서, 앞선 설명은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다.While several embodiments have been described, it will be appreciated by those skilled in the art that various modifications, alternative constructions, and equivalents may be used without departing from the spirit of the invention. In addition, many well-known methods and elements have not been described in order to avoid unnecessarily obscuring the present invention. Accordingly, the foregoing description should not be construed as limiting the scope of the present invention.

당업자는 여기서 개시된 실시예들이 제한이 아니라 예시로서 설명된다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 앞선 설명에 포함되거나 첨부된 도면들에 도시된 사항은 제한적인 의미가 아니라 예시적인 것으로 해석되어야 한다. 다음의 청구 범위는 언어의 문제로 그 사이에 속한다고 말할 수 있는 본 방법 및 시스템의 범위의 모든 진술뿐만 아니라 본 명세서에 기술된 모든 일반적이고 특정한 특징들을 포함하도록 의도된다.Those skilled in the art will understand that the embodiments disclosed herein are described by way of example and not limitation. Accordingly, matters included in the preceding description or illustrated in the accompanying drawings should be construed as illustrative rather than restrictive. The following claims are intended to include all general and specific features described herein, as well as all statements of the scope of the methods and systems that may be said to fall therebetween as a matter of language.

Claims (23)

단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법으로서,
기판을 제공하는 것;
상기 기판 상에 게이트 전극 및 유전체층을 패터닝하여 채널을 형성하는 것;
상기 유전체층 상에 단일벽 탄소나노튜브들의 박막층으로 구성된 후면층을 적층하는 것; 그리고
포토마스크 및 포토리소그래피 공정을 사용하여 상기 후면층 상에 적어도 하나의 n+ 층, 드레인 및 소스 전극을 패터닝하여, 상기 채널과 중첩하는 상기 후면층의 일부가 노출되는 것을 포함하는, 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법.
A method for manufacturing a single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane, comprising:
providing a substrate;
patterning a gate electrode and a dielectric layer on the substrate to form a channel;
laminating a back layer composed of a thin film layer of single-walled carbon nanotubes on the dielectric layer; And
patterning at least one n+ layer, drain and source electrodes on the backside layer using a photomask and a photolithography process, thereby exposing a portion of the backside layer overlapping the channel A method of manufacturing a thin film transistor backplane.
제1항에서,
상기 후면층은 에어로졸 스프레이, 에어 스프레이, 그리고 초음파 스프레이로 이루어진 그룹으로부터 선택된 스프레이 기술에 의해 적층되어 있는, 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법.
In claim 1,
The method for manufacturing a single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane, wherein the back layer is laminated by a spray technique selected from the group consisting of aerosol spray, air spray, and ultrasonic spray.
제2항에서,
단일벽 탄소나노튜브 에어로졸은 초음파 노즐에서 초음파 처리되고 캐리어 가스 흐름에서 방출되는 단일벽 탄소나노튜브들의 수용액으로부터 형성되어 있는, 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법.
In claim 2,
A method of manufacturing a single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane, wherein the single-walled carbon nanotube aerosol is formed from an aqueous solution of single-walled carbon nanotubes that is sonicated in an ultrasonic nozzle and emitted in a carrier gas stream.
제1항에서,
상기 후면층이 단일벽 탄소나노튜브 에어로졸로서 에어로졸 제트 인쇄를 사용하여 기판 위에 인쇄되어 있는, 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법.
In claim 1,
A method for manufacturing a single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane, wherein the back layer is printed on a substrate using aerosol jet printing as a single-walled carbon nanotube aerosol.
제4항에서,
상기 단일벽 탄소나노튜브 에어로졸이 초음파 분무로부터 선택된 기술에 의해 형성되어 있는, 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법.
In claim 4,
A method for manufacturing a single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane, wherein the single-walled carbon nanotube aerosol is formed by a technique selected from ultrasonic atomization.
제5항에서,
적층된 선폭은 2㎛ 미만의 등록 정확도로 10㎛ 미만인, 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법.
In claim 5,
A method for manufacturing a single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane, wherein the stacked line width is less than 10 μm with a registration accuracy of less than 2 μm.
.. 제1항에서,
상기 단일벽 탄소나노튜브들은 고순도 단일 키랄성 단일벽 탄소나노튜브들인, 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법.
In claim 1,
The method for manufacturing a single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane, wherein the single-walled carbon nanotubes are high-purity single chiral single-walled carbon nanotubes.
제8항에서,
상기 단일벽 탄소나노튜브들은 (6,4), (9,1), (8,3), (6,5), (7,3), (7,5), (10,2), (8,4), (7,6), (9,2), 그리고 이들의 혼합물들로부터 선택된 지수를 갖는 것인, 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법.
In claim 8,
The single-walled carbon nanotubes are (6,4), (9,1), (8,3), (6,5), (7,3), (7,5), (10,2), ( 8,4), (7,6), (9,2), and a method for manufacturing a single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane having an index selected from mixtures thereof.
제1항에서,
단일벽 탄소나노튜브 박막은 복수의 개별 박막들로 형성되어 있는, 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법.
In claim 1,
A method for manufacturing a single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane, wherein the single-walled carbon nanotube thin film is formed of a plurality of individual thin films.
제1항에서,
상기 후면층 위에 식각 정지층을 적층 및 패터닝하여, 식각 정지(etch stop)가 상기 채널과 중첩하는 것을 더 포함하는, 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법.
In claim 1,
The method for manufacturing a single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane further comprising laminating and patterning an etch stop layer on the backside layer so that an etch stop overlaps the channel.
제1항에서,
단일벽 탄소나노튜브 박막을 산성 가스로 처리하는 것을 더 포함하는, 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법.
In claim 1,
A method for manufacturing a single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane, further comprising treating the single-walled carbon nanotube thin film with an acid gas.
제12항에서,
상기 산성 가스가 에어로졸 분무를 통해 적층되는, 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법.
In claim 12,
A method of manufacturing a single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane in which the acid gas is deposited through aerosol spray.
제12항에서,
처리된 단일벽 탄소나노튜브 박막을 세척하는 것을 더 포함하는, 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법.
In claim 12,
A method of manufacturing a single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane, further comprising washing the treated single-walled carbon nanotube thin film.
제14항에서,
적어도 100
Figure pat00002
의 온도에서 상기 단일벽 탄소나노튜브 박막을 소결시키는 것을 더 포함하는, 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법.
15. In claim 14,
at least 100
Figure pat00002
The method of manufacturing a single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane further comprising sintering the single-walled carbon nanotube thin film at a temperature of.
제1항에서,
박막들이 서브임계 누설 전류로 형성되는 것은,
단일벽 탄소나노튜브 박막 상에 포토레지스트를 스핀 코팅하는 것;
정의된 포토레지스트 및 정의되지 않은 포토레지스트의 영역들을 생성하기 위해 포토리소그래피에 의해 포토레지스트 위에 패턴을 정의하는 것;
정의된 패턴을 용액 현상하여 현상된 포토레지스트를 형성하는 것; 그리고
패터닝된 단일벽 탄소나노튜브 박막을 형성하기 위해 현상된 포토레지스트를 사용하여 단일벽 탄소나노튜브 박막을 플라즈마 또는 습식 식각하는 것을 포함하는, 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법.
In claim 1,
Thin films are formed with sub-threshold leakage current,
spin coating a photoresist on a single-walled carbon nanotube thin film;
defining a pattern over the photoresist by photolithography to create regions of defined photoresist and undefined photoresist;
solution developing the defined pattern to form a developed photoresist; And
A method of manufacturing a single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane, comprising plasma or wet etching the single-walled carbon nanotube thin film using a developed photoresist to form a patterned single-walled carbon nanotube thin film.
단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법으로서,
기판을 제공하는 것;
상기 기판 상에 게이트 전극 및 유전체층을 패터닝하여 형성하는 것;
포토마스크 및 포토리소그래피 공정을 사용하여 상기 유전체층 상에 적어도 하나의 n+ 층, 및 드레인 및 소스 전극을 패터닝하여, 채널과 중첩하는 유전체의 일부가 노출되는 것;
n+ 층, 드레인 및 전극층 및 유전층 상에 단일벽 탄소나노튜브들의 박막층으로 구성된 후면층을 적층하는 것; 그리고
상기 후면층 상에 보호층을 적층하는 것을 포함하는, 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법.
A method for manufacturing a single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane, comprising:
providing a substrate;
forming a gate electrode and a dielectric layer on the substrate by patterning;
patterning at least one n+ layer and drain and source electrodes on the dielectric layer using a photomask and a photolithography process to expose a portion of the dielectric overlapping the channel;
laminating a back layer composed of a thin film layer of single-walled carbon nanotubes on the n+ layer, the drain and electrode layers, and the dielectric layer; And
A method of manufacturing a single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane, comprising laminating a protective layer on the backside layer.
제17항에서,
상기 후면층은 에어로졸 스프레이, 에어 스프레이, 그리고 초음파 스프레이로 이루어진 그룹으로부터 선택된 스프레이 기술에 의해 적층되는, 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법.
In claim 17,
wherein the back layer is laminated by a spray technique selected from the group consisting of aerosol spray, air spray, and ultrasonic spray.
제17항에서,
상기 후면층은 단일벽 탄소나노튜브 에어로졸로서 에어로졸 제트 인쇄를 사용하여 상기 기판 위에 인쇄되는, 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법.
In claim 17,
wherein the back layer is printed on the substrate using aerosol jet printing as a single wall carbon nanotube aerosol.
제17항에서,
단일벽 탄소나노튜브들은 고순도 단일 키랄성 단일벽 탄소나노튜브들인, 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법.
In claim 17,
A method for manufacturing a single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane, wherein the single-walled carbon nanotubes are high-purity single chiral single-walled carbon nanotubes.
제20항에서,
단일벽 탄소나노튜브들이 (6,4), (9,1), (8,3), (6,5), (7,3), (7,5), (10,2), (8,4), (7,6), (9,2), 그리고 이들의 혼합물들로부터 선택된 지수를 갖는 것인, 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법.
21. In claim 20,
Single-walled carbon nanotubes (6,4), (9,1), (8,3), (6,5), (7,3), (7,5), (10,2), (8 , 4), (7,6), (9,2), and a method for manufacturing a single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane having an index selected from mixtures thereof.
제1항 또는 제17항에서,
상기 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 디스플레이 장치에 통합하는 것을 더 포함하는, 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법.
18. In claim 1 or 17,
The method of manufacturing a single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane further comprising integrating the single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane into a display device.
단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 적층하도록 구성되어 있는 시스템으로서,
이동 스테이션과 관련하여 장착된 복수의 프린터 헤드들;
상기 이동 스테이션 상에 위치하는 기판 위에 단일벽 탄소나노튜브들의 박막을 적층시키기 위해 단일벽 탄소나노튜브들의 수용액의 용액과 유체 연통(fluid communication)하는 복수의 프린터 헤드들; 그리고
프린터 헤드들은 적층된 박막 위에 적어도 하나의 드레인 및 소스 전극, 유전체, 하나 이상의 상부 게이트형 전극, 그리고 하나 이상의 화소 전극들을 패터닝 및 형성하기 위해, 포토마스크 및 포토리소그래피 공정과 통합되는, 단일벽 탄소나노튜브 박막트랜지스터 백플레인을 제조하는 방법.
A system configured to stack a single-walled carbon nanotube thin film transistor backplane, comprising:
a plurality of print heads mounted in association with the mobile station;
a plurality of printer heads in fluid communication with a solution of an aqueous solution of single-walled carbon nanotubes to deposit a thin film of single-walled carbon nanotubes on a substrate positioned on the mobile station; And
The printer heads are integrated with a photomask and photolithography process to pattern and form at least one drain and source electrode, a dielectric, one or more top gated electrodes, and one or more pixel electrodes over the stacked thin film. A method of manufacturing a tube thin film transistor backplane.
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