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Transparent a-IGZO TFTs using ultra-thin metal electrodes on flexible substrates for transparent bio-electronics applications

Transparent a-IGZO TFTs using ultra-thin metal electrodes on flexible substrates for transparent bio-electronics applications
Yujin Hwang
DGIST Authors
Yujin HwangHongki KangJae Eun Jang
Jae Eun Jang
Issued Date
Awarded Date
IGZO Thin Film Transistors, Transparent electrodes, Bio-electronics
IGZO Thin Film Transistors, Transparent electrodes, Bio-electronics
This paper demonstrated the possibility of with Indium-Gallium-Zinc Oxide (IGZO) Thin-film transistors (TFTs) with transparent ultra-thin bilayer metal electrodes for bioelectronic applications. It is proposed that the transistor can be used for neural interfaces. In bio-electronic experiments, the optical observation of cells using inverted microscope is often necessary. Transparent bio-electronics neural interfaces are required because of an inverted microscope structure. However, current commercial bio-devices such as Complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) and Micro electrodes array (MEAs) technology have critical limitations in terms of transparency and low-density electrodes. These problems can be overcome by transparent TFT technology. In many ways to make transparent TFTs, especially in electrodes, I decided to reduce the thickness of metal thin-film using bilayer structure. The ultra-thin metal bilayer consists of Aluminium (Al) and Silver (Ag). Not only just thin thickness of metal films, a suppression of Localized Surface Plasmonic Resonance (LSPR) of Al/Ag bilayer makes it transparent. Also, the Al seed layer forms Ohmic contact with a-IGZO which is one of the semiconducting materials with high mobilities. Deposition of ultra-thin Al seed layer contributed in terms of optical transparency and electrical characteristics. In this paper, the IGZO TFTs with ultra-thin Al (2.5 nm) / Ag (8 nm) metal bilayer electrodes demonstrated the high performance with about 4 〖cm〗^2/Vs mobility while significantly improving optical transparency. Furthermore, it showed reasonable contact resistance compared to bulk 50nm-thick Al electrodes. The TFTs have 80kHz/V normalized cutoff frequencies that means this TFTs would be useful for wide range of biological experiments. The TFTs showed 50~70% of transmittance in the range of 350-700 nm, so that the cells are observed on the electrodes clearly after cultured the embryonic cortex cells.|본 논문은 in-vitro를 비롯한 세포 생물 실험에서 트랜지스터의 활용가능성에 대해 언급하고 있습니다. 생물학 실험에 대한 적용 가능성을 주요 목적을 두어, 투명한 트랜지스터를 개발하였습니다. 다양한 생물학적 신호들의 측정 및 분석을 위해 그에 적합한 인터페이스들이 필요합니다. 생물학 실험에서는 세포를 배양함과 동시에 관찰해야 한다는 점 때문에, 주로 도립 현미경이 사용되고 있습니다. 그러나 현재 주로 사용되고 있는 CMOS와 MEA의 경우에는 불투명한 기판과 전극의low-density 와 같이 문제점들이 존재합니다. 이러한 한계점들을 극복할 수 있는 transistor를 이용하여, 최종적으로 투명한 전극을 가진 a-IGZO TFTs를 개발하였습니다. 우수한 전자 이동도를 갖는 것으로 알려진 IGZO semiconducting materials를 channel layer로 활용했으며, IGZO와 ohmic contact 형성이 가능한 다양한 종류의 물질들 중, Al을 적용했습니다. Al은 IGZO와의 ohmic contact에 대한 장점 뿐만 아니라, Al/Ag bilayer의 경우 surface plasmon resonance가 저해되어, 투과도 측면에서도 우수한 투과율을 보이는 점을 활용할 수 있었습니다. 최종적으로, 투명전극을 만들기위해 metal을 사용하되, 얇은 Al과 Ag의 조합을 만들어 상대적으로 투명 전극으로 구성된 IGZO TFTs를 제작했습니다. Al를 seed layer로 두고, Al/Ag bilayer metal films의 전기적, 시각적 측면 모두 고려하여, 가장 적합한 조건을 도출했습니다(2.5nm/8nm Al/Ag). 그리고, 해당 TFTs 특성은 동일한 조건에서의 두꺼운 Al 전극을 갖는 TFTs와 비교하여 확인해보았습니다. 그 결과 해당 투명전극을 갖는 TFTs의 성능이 bulk only-Al metal 전극 TFTs 대비 유사한 성능이 나오는 것을 확인하였고, 세포 배양 실험 후, 실제로 전극 위의 세포들이 육안으로 관찰되는 것을 도립현미경을 통해 확인했습니다. 그리고, 이 논문에서 제안하고 있는 TFTs를 PI 기판과 같은 유연기판에 적용하면, 체내 손상을 줄이는 인터페이스를 제작할 수 있다는 장점 또한 갖게 됩니다. 결과적으로 surface plasmon resonance를 저해하는 metal bilayer 조합을 통해서 전극 두께를 줄이고 투명성을 높이되, 성능의 저해를 최소화할 수 있다는 점에서 해당 TFTs는 bio-electronics applications에 대해 높은 활용도를 가질 것으로 생각합니다.
Table Of Contents
Ⅰ. Introduction 1
1.1 Transistors for Biological applications 1
1.2 Importance of transparency in biological applications 2
1.3 TFTs with Indium-Gallium-Zinc Oxide (IGZO) semiconductors 5
1.4 Transparent ultra-thin metal bilayer electrodes 6
1.5 Application for Bio experiment 8
Ⅱ. Methods 9
2.1 Fabrication Process of IGZO TFTs 9
2.1.1 Channel lengths and width of TFTs 9
2.1.2 TFTs Fabrication on glass substrates 9
2.1.3 TFTs Fabrication on Polyimide substrates 13
2.2 Bio experiment 15
2.2.1 Cell Preparation 15
2.2.2 Cell experiments on TFTs 17
Ⅲ. Results 19
3.1 Optimizing the metal bilayer 19
3.2 Surface morphology, Sheet resistance, and Transmittance 21
3.2.1 Surface morphology 21
3.2.2 Sheet Resistance 23
3.2.3 Transmittance 24
3.3 Characteristics of IGZO TFTs with ultra-thin metal electrodes 25
3.3.1 Contact Resistance 25
3.3.2 Transfer characteristics 28
3.3.3 Cut-off Frequency 30
3.3.4 Biological cell experiments on TFTs electrodes 32
Ⅳ. Conclusion 33
Information and Communication Engineering
Related Researcher
  • 강홍기 Kang, Hongki 전기전자컴퓨터공학과
  • Research Interests Bioelectronics; Neural interfaces; Flexible electronics; Printed electronics; 바이오전자; 신경 인터페이스; 뇌공학; 플렉서블 전자; 반도체 소자; 인쇄 전자
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Department of Electrical Engineering and Computer Science Theses Master


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