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有机薄膜晶体管制备和性能研究

作　者: 聂国政
导　师: 彭俊彪
学　校: 华南理工大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 有机薄膜晶体管绝缘层 CuO夹层电子捕获阈值电压的调控 CuI/Al双层电极
分类号: TN321.5
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

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Ta₂O₅ SiO₂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V_GSO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(V_GSO)。所以,CuO与pentacene的界面掺杂不受正值起始栅压(V_GSO)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V_GSO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(V_GSO),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(V_TH)、电流开关比(I_on/I_off)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。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章绪论  13-28
  1.1 引言  13
  1.2 有机薄膜晶体管的发展和现状  13-22
  1.3 有机薄膜薄膜晶体管的应用  22-23
  1.4 当前有机薄膜晶体管研究中存在的主要问题  23-26
    1.4.1 载流子传输理论有待完善  23-24
    1.4.2 载流子迁移率尚须提高  24
    1.4.3 电极材料的开发及接触电阻的研究  24-25
    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  25
    1.4.5 OTFT 阈值电压的调控  25
    1.4.6 应用研究亟待加强  25-26
  1.5 本论文的主要内容  26-28
第二章有机薄膜晶体管的原理、结构、材料和制备技术  28-43
  2.1 有机薄膜晶体管的原理和结构  28-34
    2.1.1 有机半导体的导电机理  28-29
    2.1.2 有机半导体的导电类型  29
    2.1.3 有机薄膜晶体管的原理和结构  29-33
    2.1.4 OTFT 的场效应迁移率的物理意义  33-34
  2.2 薄膜晶体管的一些重要的参数  34-37
  2.3 有机薄膜晶体管的有机半导体材料  37-40
  2.4 有机薄膜晶体管的绝缘层材料  40
  2.5 有机薄膜晶体管的制备工艺  40-42
  2.6 本章小结  42-43
第三章绝缘层对有机薄膜晶体管的影响  43-62
  3.1 引言  43-44
  3.2 器件的结构  44-46
  3.3 制备工艺流程  46-52
    3.3.1 阳极氧化制备五氧化二钽绝缘层  46-49
    3.3.2 阳极氧化制备三氧化二铝绝缘层  49-51
    3.3.3 OTFT 有源层的制备  51
    3.3.4 OTFT 源、漏电极的制备  51-52
  3.4 绝缘层对有机薄膜晶体管性能的影响  52-55
  3.5 绝缘层对有机薄膜晶体管电学稳定性的影响  55-57
    3.5.1 阈值电压在连续栅偏压下的漂移  55-56
    3.5.2 阈值电压漂移量与栅偏压时间的关系  56-57
  3.6 不同绝缘层的pentacene-OTFT 的陷阱密度  57-61
    3.6.1 （MIS）结构的C-V 特性测试  57-60
    3.6.2 不同绝缘层的pentacene-MIS 结构的C-V 特性  60-61
  3.7 小结  61-62
第四章 CuO 夹层的并五苯基薄膜晶体管的阈值电压的调控  62-92
  4.1 引言  62-63
  4.2 有机薄膜晶体管的制备  63-64
  4.3 有机薄膜晶体管的电学性能  64-67
  4.4 CuO 夹层的作用  67-69
  4.5 CuO 夹层与pentacene 的界面分析  69-78
    4.5.1 CuO 与Pentacene 的掺杂特性表征  70-72
    4.5.2 CuO 与Pentacene 界面的电荷转移研究  72-73
    4.5.3 CuO-embeded OTFT 的迁移率改善的原因分析  73-76
    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  76-78
  4.6 栅偏压V_(GSO) 对CuO-embeded OTFT 的迁移率和电阻的影响  78-80
  4.7 CuO-embeded OTFT 中CuO 夹层的电荷分离机制  80-85
  4.8 CuO-embeded OTFT 的阈值电压的调控  85-88
  4.9 被调控的阈值电压的稳定性  88-90
  4.10 小结  90-92
第五章碘化亚铜/铝双层电极的有机薄膜晶体管  92-100
  5.1 引言  92-93
  5.2 器件的制备  93-94
  5.3 器件的性能的比较  94-96
  5.4 CuI 与pentacene 之间的掺杂特性研究  96-97
  5.5 CuI 与pentacene 和CuI 与Al 电极之间的电荷转移研究  97-99
  5.6 小结  99-100
结论  100-103
参考文献  103-119
攻读博士学位期间取得的研究成果  119-120
致谢  120-121
附件  121

有机薄膜晶体管制备和性能研究

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