有机小分子及微晶硅薄膜晶体管研究

论文摘要

主动式有机电致发光显示器件（AM-OLED）作为新一代显示技术,已经成为当前研究的热点,而薄膜晶体管（TFT）作为AM-OLED的核心部件。薄膜晶体管按照有源层材料分类,可分为有机薄膜晶体管和无机薄膜晶体管。有机薄膜晶体管因其工艺简单、成本低廉、易于大面积制备等优点而备受人们关注,但有机薄膜晶体管的研究尚还处于实验室阶段。而当前成熟的迁移率低的非晶硅薄膜晶体管（a-Si TFT）难以满足AM-OLED的驱动要求,而微晶硅薄膜晶体管（μc-Si TFT）的迁移率比a-Si TFT大,能满足AM-OLED的驱动要求,且与a-Si TFT工艺相似。本文针对这两种类型的器件展开研究,主要工作如下:第一,接触电阻（contact resistance）是影响有机薄膜晶体管性能的重要因素之一,如何降低器件的接触电阻是当前研究的热门话题。本文主要通过改善源漏电极与有源层之间的接触,从而减小OTFT的接触电阻,提升OTFT器件性能,同时采用传输线方法计算了器件的接触电阻。减小接触电阻的主要方法如下:（1）通过接触区域掺杂改善pentacene-TFT器件的接触电阻。分别利用有机半导体材料tetrafluorotetracyanoquinodimethane （F4-TCNQ）和无机半导体材料MoOx进行接触区域掺杂,从而减小接触电阻,结果表明2 wt% F4-TCNQ和55 wt% MoOx掺杂pentacene后,pentacene-TFT器件的迁移率相对于未掺杂前分别提升了2倍和1.1倍;（2）采用WO3/Au电极取代传统的Au电极,pentacene-TFT器件的迁移率提升了近7倍;（3）在底接触CuPc-TFTs中,利用UV/ozone处理Au电极的方法减小器件的接触电阻,器件的迁移率由4.69×10-3增加到2.37×10-2cm2/V s。（4）采用价格低廉的Cu取代价格昂贵的Au作为源漏电极,并用MoOx修饰Cu电极,减小接触电阻,pentacene-TFT器件的迁移率由0.13变化至0.61 cm2/V s。第二,为了实现OTFT器件向着大面积、低成本、高性能方向发展,我们分别制备了基于PECVD方法制备的SiNx、SiOx薄膜为绝缘层和价格低廉的Cu为源漏电极的pentacene-TFT。利用PECVD技术在玻璃衬底上沉积了SiNx、SiOx绝缘层,首先研究了衬底温度对SiNx绝缘层性能的影响,其次研究了SiH4/N2O的流量比对SiOx绝缘层性能的影响,并在此基础上制备了不同的pentacene-TFT,分析了绝缘层的介电常数,表面形貌、击穿电压等因素对pentacene-TFT的影响。结果表明衬底温度为300℃的SiNx作为绝缘层,pentacene-TFT具有最优的电学性能,迁移率达到0.29 cm2/V s,阈值电压为-8.9V。用SiH4/N2O为1/7时制备的SiOx为绝缘层,pentacene-TFT具有最优的电学性能,迁移率达到0.26 cm2/V s,阈值电压为-12.8V。第三,微晶硅薄膜的质量直接影响着微晶硅TFT器件的性能,为了制备高质量的微晶硅薄膜,我们研究了氢气稀释比、衬底温度、反应气压、功率密度对微晶硅薄膜的晶化率和沉积速率的影响。结果表明,衬底温度为300℃,氢气稀释浓度为99%,反应气压为80Pa,功率密度为0.6 mW/cm2时能制备出高质量的微晶硅薄膜,其晶化率达76.4%。第四,无重掺杂层（n+-doped-layer-free）的微晶硅TFT器件避免了使用剧毒的PH3气体,同时也可以减少一步光刻,这样大大地降低了工艺的复杂性和制作的成本。本文主要围绕两种新型的源漏电极的无重掺杂层的微晶硅TFT器件展开研究。（1）采用铝合金作为无重掺杂层的微晶硅TFT的源漏电极,分析了微晶硅TFT的电学性能,发现器件在线性区的迁移率和饱和区的迁移率几乎相等。这表明铝合金与微晶硅薄膜之间有比较好的接触。（2）采用复合电极Al/LiF作为无重掺杂层的微晶硅TFT的源漏电极,通过物理模型计算了Al/Si和Al/LiF/Si的电子势垒高度,发现Al/LiF/Si的电子势垒高度（0.12 eV）明显低于Al/Si的电子势垒高度（0.512 eV）。进一步证实了基于复合电极Al/LiF作为无重掺杂层的微晶硅TFT的电学性能要优于基于复合电极Al作为无重掺杂层的微晶硅TFT的电学性能。这些结果表明基于铝合金和LiF/Al新型源漏电极的无重掺杂层的微晶硅TFT器件有望取代传统的重掺杂层的微晶硅TFT器件。第五,阐述了微晶硅TFT的宽长比的设计方案,确定了开关TFT（T1）与驱动TFT（T2）的宽长比分别为40μm/8μm和50μm/8μm。制备了7英寸的微晶硅TFT阵列,另外细致地说明了微晶硅TFT阵列的制作流程,同时展示了微晶硅TFT的阵列图。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 有机薄膜晶体管的发展
• 1.2 有机薄膜晶体管的结构及制备方法
• 1.2.1 有机薄膜晶体管的结构
• 1.2.2 有机薄膜晶体管的制备方法
• 1.3 微晶硅薄膜晶体管的研究现状
• 1.4 微晶硅薄膜晶体的结构和制备工艺
• 1.5 薄膜晶体管的性能表征
• 1.6 论文的主要研究内容
• 1.7 参考文献
• 第二章 有机薄膜晶体管中的接触效应研究
• 2.1 金属与半导体接触理论
• 2.1.1 金属和半导体接触模型
• 2.1.2 金属半导体电流输运理论
• 2.2 基于接触区域掺杂改善Au 源漏电极接触
• 4-TCNQ 掺杂层的薄膜晶体管'>2.2.1 基于有机材料F₄-TCNQ 掺杂层的薄膜晶体管
• x 掺杂层的薄膜晶体管'>2.2.2 基于无机材料MoO_x掺杂层的薄膜晶体管
• 3/Au 复合电极减小接触电阻'>2.3 用W0₃/Au 复合电极减小接触电阻
• 2.3.1 实验
• 2.3.2 结果与讨论
• 2.4 基于UV/ozone 处理过Au 电极的薄膜晶体管
• 2.4.1 实验细节
• 2.4.2 结果与讨论
• x/Cu 复合电极的薄膜晶体管'>2.5 基于MoO_x/Cu 复合电极的薄膜晶体管
• 2.5.1 实验细节
• 2.5.2 结果与讨论
• 2.6 本章小结
• 2.7 参考文献
• 第三章 基于 PECVD 方法制备的绝缘层的 OTFT 器件研究
• 3.1 引言
• x 绝缘层的pentacene-TFT'>3.2 基于PECVD 方法制备的SiN_x绝缘层的pentacene-TFT
• 3.2.1 实验方法与测试
• 3.2.2 结果与讨论
• 3.3 基于PECVD 方法制备的SiOx 绝缘层的pentacene-TFT
• 3.3.1 实验方法与测试
• 3.3.2 结果与分析
• 3.4 本章小结
• 3.5 参考文献
• 第四章 微晶硅薄膜的性能研究
• 4.1 引言
• 4.1.1 微晶硅薄膜的制备方法
• 4.1.2 微晶硅薄膜的表征
• 4.1.3 微晶硅薄膜的成膜机理
• 4.2 实验结果与讨论
• 4.2.1 氢稀释比（RH）对微晶硅薄膜性质的影响
• 4.2.2 衬底温度对微晶硅薄膜性质的影响
• 4.2.3 射频功率密度对微晶硅薄膜性质的影响
• 4.2.4 反应气体压强对微晶硅薄膜性质的影响
• 4.3 本章小结
• 4.4 参考文献
• 第五章 无重掺杂层的微晶硅 TFT 的探究及其微晶硅 TFT 的阵列技术研究
• 5.1 前言
• 5.2 基于新型的源漏电极的无重掺杂层的微晶硅TFT
• 5.2.1 采用铝合金作为源漏电极
• 5.2.2 采用Al/LiF 作为源漏电极
• 5.3 微晶硅TFT 阵列研究
• 5.4 本章小结
• 5.5 参考文献
• 第六章 结论
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
• 作者在攻读博士学位期间所作的项目
• 致谢