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有机薄膜晶体管工作机理及制备方法的研究

作　者: 陈跃宁
导　师: 徐征
学　校: 北京交通大学
专　业: 光学工程
关键词: 有机薄膜晶体管交流电阻有限元法复合结构
分类号: TN321.5
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

有机薄膜晶体管(OTFT)可低温大面积生产,并具有制备成本低、可柔性等优点。随着其性能的不断提高,将具备应用于电子标签、射频识别卡和平板显示的驱动等电路中的可能性。目前,各国科研人员在努力制备出高性能OTFT的同时,也注重OTFT的理论研究,并取得了一定的进展,例如：器件的电极与有机薄膜接触处能级匹配对载流子注入的影响、接触电阻的形成、有机材料载流子传输机制,以及OTFT的工作机理等。本文针对OTFT的工作机理展开进一步研究,具体研究工作如下。首先,本文对表征OTFT器件的性能参数进行了研究。针对目前广泛采用的获取OTFT器件场效应迁移率和阈值电压的Ⅰ/Ⅴ特性拟合法存在的固有误差进行了分析。提出了采用最小二乘拟合计算OTFT器件的场效应迁移率和阈值电压,通过比较其精度有所提高。另外,本文还引入参数交流电阻来表征OTFT器件的性能,通过OTFT器件工作过程中的交流电阻的变化来反映OTFT器件有源层与电极之间是欧姆接触还是非欧姆接触、沟道电阻的大小以及饱和现象的出现,该特性参数可以全面描绘OTFT器件的综合工作特性。其次,运用电容调制原理推导出一个OTFT器件的电特性模型,通过与实际OTFT器件测得的特性曲线比较,两者在线性区一致性很好。由此说明了该电特性模型可以描绘OTFT在线性区工作特征,同时也说明了OTFT器件线性工作区的工作过程实质是电容调制过程。通过该模型对OTFT器件性能分析发现,栅电容与有源层有机材料的迁移率对OTFT器件性能影响较大,采用高介电常数的绝缘材料作OTFT的绝缘层和高迁移率的有机材料作有源层能够使OTFT器件的性能有较大的提高。再次,文中运用有限元方法对OTFT器件工作时的有源层载流子密度分布和电位分布进行了模拟,模拟结果直观反映出OTFT器件工作过程中载流子浓度分布和电位分布变化情况,并模拟出了在OTFT器件各极电压变化时,有源层中导电沟道形成过程,以及当漏极电压逐渐增大时沟道的夹断过程。从而验证了对OTFT器件工作机制的认识。另外,通过对改变栅电容和改变有源层有机材料的初始载流子浓度大小进行器件模拟,结果发现,高栅电容容量值和高初始载流子浓度都将提两OTFT器件的性能。最后,文中提出了复合结构OTFT的概念,列举了由四种典型结构OTFT器件组合而成的六种复合结构OTFT器件,阐述了这六种复合结构OTFT器件的制备流程和掩膜方法,并对其中的一种复合结构进行了实际制备,通过测试发现,复合结构OTFT器件比组合成该复合结构的单结构OTFT性能要好,测试其转移特性曲线发现,复合结构OTFT器件的栅控源漏电流要大于组成该复合结构的单体结构OTFT器件的栅控源漏电流。并通过有限元方法模拟有源层载流子浓度分布发现,复合结构OTFT器件有源层能够形成两条导电沟道,此也为复合结构OTFT器件性能较好的原因。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
序  10-13
1 引言  13-37
  1.1 有机电子学的发展进程  14-16
  1.2 有机薄膜晶体管研究现状及应用  16-29
    1.2.1 有机薄膜晶体管研究现状  16-26
    1.2.2 有机薄膜晶体管的应用  26-29
  1.3 有机薄膜晶体管的工作原理  29-33
    1.3.1 P-型MOSFET的工作原理  29-32
    1.3.2 OTFT器件的工作原理  32-33
  1.4 有机薄膜晶体管目前存在的主要问题  33-34
  1.5 本论文的主要研究内容  34-37
2 有机薄膜晶体管性能参数及获取方法的研究  37-57
  2.1 OTFT器件性能参数  37-40
  2.2 OTFT器件性能参数的测量  40-45
    2.2.1 OTFT器件迁移率测量方法  40-44
    2.2.2 OTFT器件阈值电压测量方法  44-45
  2.3 基于最小二乘拟合计算OTFT迁移率和阈值电压的研究  45-50
    2.3.1 实验数据的获取  45-46
    2.3.2 最小二乘拟合计算μ和VT  46-48
    2.3.3 分析与讨论  48-50
  2.4 交流电阻表征OTFT器件的性能  50-54
    2.4.1 OTFT器件交流电阻  50-51
    2.4.2 OTFT器件交流电阻的获取  51-53
    2.4.3 分析与讨论  53-54
  2.5 本章小结  54-57
3 OTFT器件工作机理的研究  57-75
  3.1 OTFT器件建模发展情况  57-64
  3.2 基于电容调制原理的OTFT器件电特性模型  64-67
  3.3 OTFT器件的制作及测量  67-71
    3.3.1 OTFT器件的制作  67-70
    3.3.2 OTFT器件的测试  70-71
  3.4 分析与讨论  71-73
  3.5 本章小结  73-75
4 基于有限元方法的OTFT器件电特性分析  75-93
  4.1 描述OTFT器件的特性的基本方程  75-78
    4.1.1 麦克斯韦方程组  75-76
    4.1.2 电流密度方程  76-77
    4.1.3 电流连续性方程  77-78
  4.2 有限元数值分析方法  78-82
    4.2.1 结构离散  79-80
    4.2.2 单元分析  80-82
    4.2.3 整体分析  82
  4.3 基于有限元的OTFT器件模拟  82-85
    4.3.1 OTFT器件物理模型  82-83
    4.3.2 OTFT器件数学模型  83-84
    4.3.3 边界条件的确定  84-85
  4.4 OTFT器件模拟  85-89
  4.5 基于有限元模拟OTFT性能分析  89-91
  4.6 本章小结  91-93
5 复合结构OTFT器件制备方法的研究  93-101
  5.1 复合结构OTFT的构成  93-96
  5.2 复合结构OTFT器件的制备  96-98
  5.3 复合结构OTFT器件的性能分析  98-100
    5.3.1 器件绘制与剖分  98-99
    5.3.2 复合结构OTFT器件模拟  99-100
  5.4 本章小结  100-101
6 结论  101-103
参考文献  103-111
作者简历  111-115
学位论文数据集  115

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