有机薄膜晶体管制备和性能研究

论文摘要

有机薄膜晶体管（OTFT）是一种由有机半导体,金属电极和绝缘层组成的场效应器件,它是有机集成电路的核心部件。OTFT具有制备温度低、易实现大面积、制备工艺简单、低的成本和易弯曲的特点,因此它具有很强的吸引力。目前,有机薄膜晶体管在其性能上已取得很大的进展。但还是有许多的挑战制约着OTFT在有机集成电路上的实际应用。OTFT阈值电压的有效调控就是其中一个挑战。众所周知:OTFT阈值电压的有效调控是实现OTFT低压开启和控制OTFT的工作模型的需要。对于有机薄膜晶体管,由于其迁移率很低,导致其有很大的阈值电压。因此,我们的工作主要集中在降低和调控有机薄膜晶体管的阈值电压。我们使用高介电常数的Ta2O5和Al2O3作OTFT器件的绝缘层。为了观察不同绝缘层对OTFT器件阈值电压的影响,制备了以Ta2O5和Al2O3、SiO2为绝缘层的pentacene-based OTFT器件,相对于SiO2为绝缘层的pentacene-based OTFT器件,Ta2O5和Al2O3做绝缘层明显地降低pentacene-based OTFT的阈值电压和改善其迁移率。Ta2O5绝缘层的pentacene-based OTFT器件具有低的阈值电压（-7 V）、高的迁移率（0.5 cm2/Vs）等好的电学性能。C-V测试表明, Ta2O5绝缘膜的陷阱密度最大,这可能导致器件差的稳定性。OTFT器件的电学稳定性表现为器件阈值电压的漂移,我们研究了OTFT器件的阈值电压的漂移与栅偏压时间的关系,结果表明Ta2O5SiO2为绝缘层的pentacene-based OTFT器件展示最大的阈值电压漂移,而SiO2为绝缘层pentacene-based OTFT器件展示非常微弱的漂移。因此,器件阈值电压漂移与其陷阱密度大小有关,SiO2为绝缘层的pentacene-based OTFT器件具有相对较好的稳定性。对于OTFT器件,我们发现通过在pentacene掺入一层薄受体材料可以有效的控制器件的阈值电压,为了调控SiO2为绝缘层的pentacene-based OTFT器件的阈值电压,我们制备了氧化铜（CuO）夹层的并五苯基薄膜晶体管（CuO-embeded OTFT）,并观察了其电学性能,结果发现,相对于纯并五苯基薄膜晶体管,CuO-embeded OTFT的迁移率被明显改善,其阈值电压被显著得减少。研究发现,CuO-embeded OTFT的迁移率源自于CuO与pentacene界面的电荷转移（CT）共混体的形成。形成的CT共混体减少了pentacene的空穴陷阱,改善了CuO-embeded OTFT的载流子的注入。其迁移率被提高,产生于CT共混体空穴导致器件电流增大,其阈值电压从-21 V漂移到-7.9 V。同时,当正栅偏压VGSO作用下的情况,发现CuO-embeded OTFT器件的迁移率不受影响起始栅压(VGSO)。所以,CuO与pentacene的界面掺杂不受正值起始栅压(VGSO)的影响,此时,在此逆向电场的作用下,CuO当作电荷产生层,电子和空穴在此逆向电场的作用下被分离。产生的电子被捕获在CuO与pentacene的界面处,由于CuO具有电子捕获能力和pentacene差的电子传导能力。所加的正栅偏压VGSO越大,电子捕获的数目就越多。被电子捕获诱导空穴,诱导的空穴影响的器件阈值电压的漂移。因此,通过改变转移特性曲线正值起始栅压(VGSO),控制晶体管电子的捕获数目,就可以控制器件的阈值电压的移动。CuO-embeded OTFT的被调控的阈值电压,在恒定的栅偏压和源、漏电压长时间作用下,其阈值电压表现稳定。因此,此调控阈值电压的方法是实用的。最后,我们制备了碘化亚铜（CuI）/铝（Al）为源、漏电极的并五苯（pentacene）基薄膜晶体管（OTFT）。相对于纯金属（Al, Au）电极的晶体管,本文研制的晶体管的迁移率、阈值电压(VTH)、电流开关比(Ion/Ioff)等参数都有明显改善。研究发现,在Al电极与并五苯半导体之间引入CuI作为空穴注入层,能够明显降低Al电极与并五苯之间的空穴注入势垒。紫外-可见光谱与X-射线光电子能谱数据表明,这种空穴注入势垒的降低源自并五苯和Al向CuI的电子转移。

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第一章绪论

1.1 引言

1.2 有机薄膜晶体管的发展和现状

1.3 有机薄膜薄膜晶体管的应用

1.4 当前有机薄膜晶体管研究中存在的主要问题

1.4.1 载流子传输理论有待完善

1.4.2 载流子迁移率尚须提高

1.4.3 电极材料的开发及接触电阻的研究

1.4.4 新型绝缘材料的开发及绝缘层／有机半导体层界面的研究

1.4.5 OTFT 阈值电压的调控

1.4.6 应用研究亟待加强

1.5 本论文的主要内容

第二章有机薄膜晶体管的原理、结构、材料和制备技术

2.1 有机薄膜晶体管的原理和结构

2.1.1 有机半导体的导电机理

2.1.2 有机半导体的导电类型

2.1.3 有机薄膜晶体管的原理和结构

2.1.4 OTFT 的场效应迁移率的物理意义

2.2 薄膜晶体管的一些重要的参数

2.3 有机薄膜晶体管的有机半导体材料

2.4 有机薄膜晶体管的绝缘层材料

2.5 有机薄膜晶体管的制备工艺

2.6 本章小结

第三章绝缘层对有机薄膜晶体管的影响

3.1 引言

3.2 器件的结构

3.3 制备工艺流程

3.3.1 阳极氧化制备五氧化二钽绝缘层

3.3.2 阳极氧化制备三氧化二铝绝缘层

3.3.3 OTFT 有源层的制备

3.3.4 OTFT 源、漏电极的制备

3.4 绝缘层对有机薄膜晶体管性能的影响

3.5 绝缘层对有机薄膜晶体管电学稳定性的影响

3.5.1 阈值电压在连续栅偏压下的漂移

3.5.2 阈值电压漂移量与栅偏压时间的关系

3.6 不同绝缘层的pentacene-OTFT 的陷阱密度

3.6.1 （MIS）结构的C-V 特性测试

3.6.2 不同绝缘层的pentacene-MIS 结构的C-V 特性

3.7 小结

第四章 CuO 夹层的并五苯基薄膜晶体管的阈值电压的调控

4.1 引言

4.2 有机薄膜晶体管的制备

4.3 有机薄膜晶体管的电学性能

4.4 CuO 夹层的作用

4.5 CuO 夹层与pentacene 的界面分析

4.5.1 CuO 与Pentacene 的掺杂特性表征

4.5.2 CuO 与Pentacene 界面的电荷转移研究

4.5.3 CuO-embeded OTFT 的迁移率改善的原因分析

4.5.4 不同CuO 夹层厚度对CuO-embeded OTFT 的迁移率和阈值电压的影响

GSO 对CuO-embeded OTFT 的迁移率和电阻的影响'>4.6 栅偏压V_GSO 对CuO-embeded OTFT 的迁移率和电阻的影响

4.7 CuO-embeded OTFT 中CuO 夹层的电荷分离机制

4.8 CuO-embeded OTFT 的阈值电压的调控

4.9 被调控的阈值电压的稳定性

4.10 小结

第五章碘化亚铜/铝双层电极的有机薄膜晶体管

5.1 引言

5.2 器件的制备

5.3 器件的性能的比较

5.4 CuI 与pentacene 之间的掺杂特性研究

5.5 CuI 与pentacene 和CuI 与Al 电极之间的电荷转移研究

5.6 小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

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