（材料学专业论文）有机薄膜晶体管及微腔顶发射有机发光器件的研究.pdf

上海大学博士学位论文 摘要 有机薄膜晶体管( o t f t ) 和微腔顶发射有机发光器件是当前平板显示领域研 究的两大热点。与无机薄膜晶体管相比，有机薄膜晶体管因其工艺简单，成本低 廉，可大面积制备和与柔性衬底兼容而受到广泛关注。在有机电致发光器件 ( o l e d s ) 中引入光学微腔，可以改变有机电致发光器件的发光光谱，窄化光谱宽 度，获得单色性好的发光，提高器件的发光效率。微腔顶发射有机发光器件与 耵叮结合可以有效地解决底发射器件开口率低的问题，得到大面积的有源驱动显 示。在本文的工作中，以这两种器件为研究对象，具体的研究内容如下： 一有机薄膜晶体管研究方面，论文介绍了o t f t 的结构和工作机理，分析 了影响o t f t 性能的主要因素，进而优化了相关工艺条件，研制得到了性能改善 的o t f t 器件，并研究了它们的相关特性。具体成果包括： 。 1 研究了复合绝缘层对器件的改进作用。首先以酞菁铜( c u p o 为有源层材 料，p m m a s i 0 2 作为有机无机双绝缘层，制备了结构为s i s i 0 2 c 2 8 0 n m ) p m m a ( 5 0 n m ) c u p c ( 4 0 n m ) a u 的器件，通过对比单层s i 0 2 绝缘层器件得出，在 同样的栅极电压和漏极电压下，p m m a s i 0 2 为绝缘层的o t f t 器件载流子迁移 率提高了一倍，达到2 0 x 1 0 。c m 2 n s ，同时漏电流降低了一个数量级，为 2 4 x i 0 o a 。然后介绍了s i o j s i n x s i 0 2 复合绝缘层的制各工艺和电学性能的测 试，研究了复合绝缘层厚度对器件性能的影响，随着厚度的增加，器件载流子迁 移率降低，“关态 电流减小。 2 研究了o t s 修饰的o t f t 器件的性能。首先介绍了o t s 修饰s i 0 2 的机 理和步骤，然后通过实验结果对比和分析了o t s 对器件性能的影响，得到修饰 后的器件载流子迁移率为2 2 x l o - 3 c m e v s ，开关电流比为8 x 1 0 4 ，阈值电压为8 1 伏。得出以下的结论：经过o t s 修饰后器件的载流子迁移率有了明显地提高， 开关电流比增大，阂值电压减小。然后研究了o t s 修饰不同厚度的c u p c 器件的 输出特性，通过对比实验结果得到4 0 r i m 的c u p e 器件性能最好。 3 研究了不同的电极材料对器件性能影响。首先论述了酞菁铜薄膜晶体管 中电极功函数的匹配问题，在此基础上尝试用双层的电极来改善电荷注入效率， 上海大学博士学位论文 我们采用了在电极和有机半导体之间插入一层金属氧化物的方法，具体是在金属 电极) 上加一层三氧化钼( m 0 0 3 ) 。实验中分别采用金( a u ) 、三氧化钼铝 ( m 0 0 3 越) 和铝) 作为电极材料，研究了酞菁铜薄膜晶体管中电极功函数的匹配 和源漏电极对有机晶体管器件性能的影响。实验结果表明用三氧化钼铝 ( m 0 0 3 灿) 复合电极时，降低了金属和有机半导体的注入势垒，增大了电荷隧穿 几率，从而改善了有机晶体管的性质。 二微腔顶发射有机发光器件研究方面，论文介绍了微腔结构有机发光器 件的工作机理，分析了影响微腔项发射有机发光器件性能的主要因素，进而研究 了发光强度和半高宽与半透明阴极透射率之间的关系。通过调节i t o 层的厚度 来改变微腔的腔长，得到了红、蓝、绿三基色的发光光谱。具体成果包括： 1 首先制备了i t o 薄膜调节层，然后制备了半透明金属复合阴极，复合阴 极对可见光的透射率为3 0 左右。然后分别以t b a d n ：t b p e 和a l q 3 为发光层， 通过调节i t o 的厚度，得到从蓝绿色到红色变化范围的发光；当i t o 的厚度为 1 5 5 r i m 时，制备了高色饱和度的蓝色微腔顶发射器件，器件发光峰值为4 6 4 n m ， 色坐标为( x _ = o 1 4 1 ，y - - - o 0 4 9 ) 。当i t o 厚度为2 1 0 r i m 时，器件发光峰值为5 3 6 n m ， 半高宽为2 2 r i m ，色坐标为( x = 0 2 2 9 ，y - - - o 7 2 9 ) ，电流效率为1 7 7 c d a 。 2 以多层结构a i q ：d c j t b t b a d n ：t b p e a l q ：c 5 4 5 为白光发光层，通过调 节i t o 的厚度，实现了红、蓝、绿三基色发光的项发射微腔器件；当i t o 的厚 度分别为2 4 0 n m 、18 0 n m 、2 15 r i m 时，器件发光峰值为6 0 3 r i m 、4 7 5 n m 、5 3 8 n m 时，色坐标为( ) 【= o 5 1 3 ，y = 0 3 6 0 ) 、( x = 0 1 3 3 ，y = 0 2 0 1 ) 和( x ：o 3 3 5 ，y = 0 5 6 7 ) ，半 高宽为7 0 r i m 、3 0 r i m 、4 8 r i m 。 关键词：有机薄膜晶体管，复合绝缘层，载流子迁移率，微腔结构，顶发射，半 透明阴极 上海大学博士学位论文 a b s t r a c t o r g a n i ct h i nf i l lt r a n s i s t o r ( o 哪a n dm i c r o c a v i t yt o pe m i t t i n go r g a n i cl i g h t e m i t t i n gd e v i c e sa r eh i g h l i g h t e dn o w a d a y si nt h er e s e a r c ho ff l a tp a n e ld i s p l a y c o m p a r e dw i t ht h ei n o r g a n i ct h i nf i l mt r a n s i s t o r s ，o t f th a v ea t t r a c t e dm u c hi n t e r e s t b e c a u s eo ft h e i rc h a r a c t e r i s t i c so fl o wc o s t , s i m p l et e c h n i q u e s ，l a r g ea r e ap r e p a r a t i o n , l o w e r p r e p a r a t i o nt e m p e r a t u r e ，a n dc o m p a t i b l e w i t ht h ef l e x i b l es u b s t r a t e s i n t r o d u c i n gt h eo p t i c a lm i c r o c a v i t yi n t oo l e d s ，w ec a nc h a n g et h es p e c t r a , n a r r o w t h e s p e c t r a lw i d t h , o b t a i ng o o dh o m o c h r o m a t i cl i g h t - e m i s s i o na n d a l s ot h e l i g h t - e m i t t i n ge f f i c i e n c yc a nb ee n h a n c e d t o l e d sw i t hc a v i t ys t r u c t u r ec o m b i n e d w i t l lt f tc a l li m p r o v ed i s p l a yq u a l i t ye v e nw i t h o u ts a c r i f i c i n ga p e r t u r er a t i o so f p i x e l s s oi tw i l lb ee a s yt og e tl a r g ea r e aa c t i v e - m a t r i xd i s p l a y i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w e s t u d i e dt h e s et w ot y p e so fd e v i c e s t oc a r r yo u tt h es t u d yo ft h et h i nf i l lt r a n s i s t o r s ，f l r s tw ei n t r o d u c et h es t r u c t u r e a n dt h et h e o r yo fo t f t t h e nw ei m p r o v et h et e c h n i q u e so fp r e p a r a t i o na n do b t a i n t h ed e v i c e s 丽t t lh i g h e rp e r f o r m a n c e 田kd e t a i l so ft h ef a b r i c a t i o nt e c h n i q u e so f o t f t sa n dt h e i rp e r f o r m a n c e sc a nb ed e s c r i b e d 弱u n d e r ： 1 w eh a v ei n v e s t i g a t e dad o u b l e l a y e rs t r u c t u r e dg a t ed i e l e c t r i cf o rt h eo r g a n i c t h i nf i l m st r a n s i s t o r ( o w i t ht h ep u r p o s eo fi m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s i 0 2g a t ei n s u l a t o r c o p p e rp h t h a l o c y a n i n e ( c u p c ) w a su s e d 硒a l la c t i v el a y e r p m m a s i 0 2u s e da so r g a n i c i n o r g a n i ci n s u l a t o r 硼1 es t r u c t u r eo fd e v i c ew a s ：s i s i 0 2 ( 2 8 0 n m ) p m m a ( 5 0 n m ) c u r c ( 4 0 n m ) a u , c o m p a r e d 谢n lt h ed e v i c eu s i n gs i 0 2g a t e i n s u l a t o r , t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tu s i n gi n o r g a n i c o r g a n i cc o m p o u n di n s u l a t o r 够 t h eg a t ed i e l e c t r i cl a y e r si sa ne f f e c t i v em e t h o dt of a b r i c a t eo t f t sw i t hi m p r o v e d e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dd e c r e a s e dl e a k a g ec u r r e n ta n dt h r e s h o l dv o l t a g e e l e c t r i c a lp a r a m e t e r ss u c h 嬲，c a r r i e rm o b i l i t ya n dd e c r e a s e dl e a k a g ec u r r e n tb yf i e l d e f f e c tm e a s u r e m e n ta r e2 0 xl0 3 c m 2 n sa n d2 4 xl0 q o a , r e s p e c t i v e l y w ea l s o i n t r o d u c e dt h ep r e p a r a t i o nt e c h n i q u e so fs i 0 2 s i n x s i 0 2c o m p o u n di n s u l a t o r w e s t u d i e dt h et h i c k n e s so ft h ec o m p o u n df i l m sa n do b s e r v e dt h a tt h ec a r r i e rm o b i l i t y d e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gt h i c k n e s s i l l 上海大学博士学位论文 2 t h ep e r f o r m a n c eo fo t f t st h a tw e r em o d i f i e db ys i l a n ec o u p l i n ga g e n t s o c t a d e c y l t r i c h i o r o s i l a n e ( o t s ) h a sb e e ni n v e s t i g a t e d w ei n t r o d u c e dt h em e c h a n i s m a n dp r o c e s so ft h em o d i f i c a t i o n t h ep a r a m e t e r ss u c ha sf i e l d - e f f e c tm o b i l i t y , o n o f f r a t i oa n dt h r e s h o l dv o l t a g eo ft h em o d i f i e dd e v i c e sa r e2 2 x10 。c m 2 n s ，8 x10 4a n d 一8 1v r e s p e c t i v e l y w ec o n c l u d et h a ts i l a n ec o u p l i n ga g e n t s o c t a d e c y l t r i c h l o r o s i l a n e ( o t s ) c a nr e d u c et h es u r f a c ee n e r g yo ft h es i 0 2g a t ed i e l e c t r i ca n ds i g n i f i c a n t l y i m p r o v ed e v i c ep e r f o r m a n c e t h i so t s s i 0 2b i l a y e rg a t ei n s u l a t o rc o n f i g u r a t i o n i n c r e a s e st h ef i e l d - e f f e c tm o b i l i t y , r e d u c e st h et h r e s h o l dv o l t a g e ，a n di m p r o v e st h e o n o f fr a t i oa tt h ef 瀚t i n et i m e w ea l s oi n v e s t i g a t e dt h ed e v i c ep e r f o r m a n c eo nd i f f e r e n t t h i c k n e s so fc u p ca n df o u n dt h a tt h eb e s tt h i c k n e s so fc u p cw a s4 0 n m 3 t h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n te l e c t r o d e so nt h ep e r f o r m a n c eo fo t f t sw e r ea l s o i n v e s t i g a t e db yu s i n gd i f f e r e n tm e t a lm a t e r i a l s w ed i s c u s s e dt h ew o r kf u n c t i o no f d i f f e r e n tm e t a l sm a t c h i n gw i t hc u p cb a s e do t f t s f o rr e d u c i n ge f f e c t i v e l yt h e c o n t a c tr e s i s t a n c ea n de n h a n c i n gt h ec h a r g e i n j e c t i o ni no t f t s ，ap r o m i s i n ga p p r o a c h i st h ei n s e r t i o no fal a y e ro fo r g a n i cm a t e r i a lw i t hh i g hc h a r g ed e n s i t yb e t w e e n s o u r c e d r a i nc o n t a c t sa n do r g a n i cs e m i c o n d u c t o r w ei n s e r t e dm 0 0 3b e t w e e na ia n d c u p ca n ds t u d i e dt h ep e r f o r m a n c eo fa u , m 0 0 3 a 1 ，a 1e l e c t r o d e sd e v i c e s u s i n gt h i s s t r a t e g y , t h ei n j e c t i o nb a r r i e rw a sl o w e de f f e c t i v e l ya n dp r o b a b i l i t yo fc h a r g e t u n n e l i n gw a si n c r e a s e d t h e r ei sa na p p a r e n ti m p r o v e m e n ti nt h ep e r f o r m a n c eo f o t f t sc a nb eo b s e r v e db yt h i sa p p r o a c h t os t u d yt h et o l e d s 谢t t lc a v i t ys t r u c t u r e ，w ef n s ti n t r o d u c et h es t r u c t u r ea n d t h et h e o r yo ft o l e d s t h ee m i s s i o ni n t e n s i t ya n df u l lw i d t ha th a l fm a x i m a ( f w h m ) o fs p e c t r u mh a v eb e e ns t u d i e d r b gt r i c o l o rt o l e d sa r ca c h i e v e db ya d j u s t i n gt h e t h i c k n e s so fi t o t h ed e t a i l so ft h ef a b r i c a t i o no fm i c r o c a v i t yt o l e d sa n dt h e i r p e r f o r m a n c e sc a nb ed e s c r i b e d 鹊u n d e r ： 1 f i r s t , i t ot h i nf i l mw a sf a b r i c a t e d w em a d ea l u m i n u ma n ds i l v e rt h i nf i l m s a ss e m i - t r a n s p a r e n tc a t h o d e t h et r a n s m i t t a n c eo ft h es e m i t r a n s p a r e n tc a t h o d ew a s a b o u t3 0 t h eb l u ea n dg r e e nt o p e m i t t i n go r g a n i cl i g h t - e m i t t i n gd e v i c e sw i t h c a v i t ye f f e c tw e r ef a b r i c a t e d w eh a v eu s e dt h et b a d n ：3 d s a p ha n da i q 3a s e m i t t i n gm a t e r i a lf o rm i c r o c a v i t yo l e d s b yc h a n g i n gt h et h i c k n e s s e so fi t o ， d i f f e r e n tc o l o r sw e r eo b t a i n e dw i t ha l q 3 - b a s e dd e v i c e sw h e r e 嬲h i g 灿ys a t u r a t e d c o l o r sw e r eo b t a i n e do nt b a d n ：3 d s a p hd e v i c e s 嘞e nt h et h i c k n e s so fi t o i v 上海大学博士学位论文 w a s15 5r i m , t b a d n ：t b p eb a s e dt o l e de x h i b i t e dan a r r o w e de lp e a ka t4 6 4n m a n d ( c l e x , y ) o f ( o 1 4 1 ，o 0 4 9 ) w h e nt h et h i c k n e s so f1 t o w a s2 1 0r i m , t h e 砧q 3 b a s e dt o l e de x h i b i t e dan a r r o w e de l e c t r o l u m i n e s c e n t l ) p e a ka t5 3 6i l l nw i t ha f u l lw i d t ha th a l fi i m x i m u m ( f w h 峋o f2 2r i m , ( c l e x , y ) o f ( o 2 2 9 ，0 7 2 9 ) a n da l l e f f i c i e n c yo f1 7 7 e d a 2 w i t ha l q ：d c j t b t b a d n ：t b p e a i q ：c 5 4 5a sw h i t el i g h t - e m i t t i n gl a y e r , r b g t r i c o l o rt o l e d sw e r ea c h i e v e db ya d j u s t i n gt h et h i c k n e s so fi t o w eo b t a i n e dt h e p e a kw a v e l e n g t h sa t6 0 3 n m , 4 7 5 n ma n d5 38 n m , c i ec o o r d i n a t e so f ( x = o 51 3 ， y = o 3 6 0 ) ，( x ：= o 1 3 3 ，y - - 0 2 0 1 ) a n d ( x = o 3 3 5 ，y = o 5 6 7 ) ，f w h m so f 7 0 n m ，3 0 r i ma n d 4 8 r i mf o rr e d ，b l u ea n dg r e e n ，r e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：o r g a n i c t h i nf i l m t r a n s i s t o r ( o ，c o m p o u n di n s u l a t o r , c a r r i e r m o b i l i t y , m i c r o c a v i t y ，t o p - e m i t t i n g , s e m i - t r a n s p a r e n tc a t h o d e v 上海大学博士学位论文 a l q 3 c u p c d h f 6 t d p - p t c d i i t o l i f n p b n t c d a n t c d i o t s p t c d a p t c d i c 8 h t b a d n t c n q t c n n q p m m a p p e n t a c e n e z i 怔c a f m i r o l e d o t f t s e m u v 论文符号对应表 八羟基喹啉铝 酞菁铜 q ，二全氟己基六噻吩 n ，n 二苯基3 , 4 ，9 ，1 0 一花四羧酸二胺 氧化铟锡 氟化锂 n n - 二萘基n ，1 4 - - - 苯基对二氨基联苯 l ，4 ，5 ，8 萘四羧酸二酐 1 , 4 ，5 ，8 萘四羧酸二胺 十八烷基三氯硅烷 3 , 4 ，9 ，1 0 j 苔四羧酸二酐 n ，n 一二癸基花四羧酸二胺 2 - 叔丁基- 9 ，1o - 二- ( 2 一萘基) 蒽 四氰基二甲基醌 1l ，l l ，1 2 ，1 2 四氰基二甲基萘醌 聚甲基丙烯酸甲酯 聚乙烯醇 并五苯 酞菁锌 原子力显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ) 红外线( i n f r a r e dr a y ) 有机发光二极管( o r g a n i cl i g h t - e m i t t i n gd i o d e ) 有机薄膜场效应晶体管( o r g a n i ct h i n - f i l mf i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r ) 扫描电镜( s c 籼i , ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ) 紫外线( u l t r av i o l e t ) x 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：毒lf 皇导师签名：日期：蜊 上海大学博士学位论文 第一篇有机薄膜晶体管 第一章前言 1 1 有机薄膜晶体管的发展历程 从上个世纪七十年代开始，有机半导体材料的研究工作开始受到人们的关 注，同时，有机晶体管方面的研究也随之开展起来。八十年代中期研发出了有机 薄膜晶体管( 0 1 r i 叮) ，与普通的晶体管相比，有机薄膜晶体管具有成本低、重量 轻、能变形的优点，不少研究机构开始尝试以有机薄膜晶体管制造塑料平面显示 器。在过去的2 0 多年里，有机薄膜晶体管的研究方面取得了一系列成果，大体 可以分为下面几个阶段： ( 1 ) 从1 9 8 7 年到1 9 9 3 年，比较有代表性的工作有：1 9 8 6 年t s u m u r a 1 】等 人利用电化学聚合噻吩的方法制备了第一个有机薄膜晶体管( o t f t ) ，之后1 9 8 8 年t s u m u r a 2 等人系统地分析了器件的工作机理。1 9 8 9 年c a r n i e r t 3 j 等人首次利用 有机小分子齐聚六噻吩制备了o t f t 。1 9 8 6 年t s u m u r a 等人【4 】首次用聚噻吩为半 导体材料制备得到o t f t ，当时得到的器件载流子迁移率为1 0 巧c m 2 v s ，开关电 流比是1 0 2 1 0 3 。1 9 9 1 年a k i m i c l l i 【5 】等人研究了取代的齐聚噻吩与分子有序对迁 移率的影响，发现取代的齐聚噻吩比未取代的噻吩迁移率高了1 0 0 倍，为人们通 过利用分子设计来改善薄膜有序程度，进而提高器件性能提供了思路。 ( 2 ) 从1 9 9 3 年到1 9 9 7 年，比较有代表性的工作有：1 9 9 4 年，g a m i e r 等人 嘲利用打印法制备了全聚合物的o t f t ，得到的晶体管场效应载流子迁移率达到 0 0 6 c m 2 v s ，为o t f t 的廉价和大面积制备打下基础。1 9 9 5 年d o d a b a l a p u r 7 j 等 人首次采用a - 6 t c 6 0 异质结制备了双极型o t f t 。h a d d o n 等人【8 】用c 6 0 作为半导 体材料来制备o t f t ，在高真空条件下该器件载流子迁移率为0 0 8 c m 2 v s ，开关 电流比达到1 0 6 。至此高性能的n 型o t f t 也被研制出来，完成了组建有机集成 电路所需要的高性能p 型和n 型两种类型的o t f t 的研制。 19 9 6 年k a t z 等人【9 】的研究表明有源层并五苯( p e n t a c e n e ) 的薄膜形态与器 上海大学博士学位论文 件性能有密切关系。h o r o w i t z 1 0 】等人利用六唾吩单晶成功的制备基于单晶有源层 的o t f t ，迁移率为o 1 c m 2 v s ，但是并没有获得预期的高迁移率。1 9 9 7 年b r o w n 儿】 等人对o t f t 的一些基本概念与工作机理作了系统地阐述，并利用液相加工的 方法制备了一系列逻辑电路。 ( 3 ) 从1 9 9 7 到2 0 0 6 年，比较具有代表性的工作有：1 9 9 7 年yyl 甜1 2 】等 人利用修饰绝缘层控制并五苯的薄膜生长，将并五苯多晶薄膜的迁移率提高到了 l c m z n s ，开关电流比为1 0 8 ，达到大规模应用于平板显示屏中的非晶硅晶体管器 件的水平。d j g u n d l a e h 等人用沉积温度不同的双层并五苯薄膜做有源层，使得 器件的场效应迁移率达到1 5c m 2 v s ，开关电流比达到1 0 8 ，这个结果已能和氢化 非晶硅( a - s i ：h ) 制备的t f t 相比较。1 9 9 8 年吲1 3 】等人成功地制备了低成本 全塑型集成电路。s c h o o n v e l d s m 】等人研究了有机单晶的电荷传输性质。1 9 9 8 年， a d o d a b a l a p u r 等人报道了有机集成像素，它由一个有机薄膜场效应晶体管( f e t ) 和一个有机光发射二极管( l e d ) 集成；用多噻吩做f e t 的有源层材料，场效 应迁移率仅为0 0 4 6 c m 2 v s 1 5 】，已经报道的用并五苯做有源层的场效应晶体管的 迁移率要比这个数值高出1 2 个数量级，所以并五苯有机t f t 用于有源矩阵显示 倍受关注。1 9 9 9 年d i m i t r a k o p o u l o s 1 6 】等人利用高介电常数的绝缘层将有机薄膜 晶体管的工作电压降低到5 v 左右。2 0 0 0 年c r o n e 1 7 】等人成功地制备了基于o t f t 的大规模互补型集成电路。2 0 0 0 年r o g e r s 等人利用微接触打印工艺实现了在塑 料衬底上制备有机智能像素，为这一领域在柔性显示方面开拓了道路。2 0 0 0 年， 剑桥大学和e p s o n 公司用喷墨打印法采用由于亲水性和疏水性而产生的自组织 特性的聚合物p 3 h t 制成场效应晶体管，器件的电极是高分子，载流子的迁移率 0 0 2 - - 一0 1 c m 2 v s ，开关电流比为1 0 5 。2 0 0 1 年p h i l i p s 1 羽制备出2 英寸6 4 x 6 4 像素 的有机薄膜晶体管驱动的p d l c a m i ，c d 显示屏，并实现了视频显示。2 0 0 1 年， m g k o n e 等报道了在柔性衬底上，用并五苯t f t 寻址的1 6 x 1 6 像素显示【1 9 1 。 g u n d l a c h 等报道了并五苯薄膜场效应晶体管载流子迁移率达到2 1c m 2 v s ，开关 电流比1 0 8 。【2 2 0 0 3 年m e i j e r 2 1 】等人报道了一系列的双极型有机半导体材料。 并且认为有机半导体材料普遍具有双极型。2 0 0 3 年，h k l a u k 等人在柔性聚合物 衬底上制备了全有机并五苯薄膜场效应晶体管和环形震荡器【2 2 】。2 0 0 3 年， 2 上海大学博士学位论文 v p o d z o r o v 等用r u b r e n e 单晶制备的有机场效应晶体管场效应迁移率高达 8 c m 2 v s 2 3 1 。p h i l i p s 公司的研究人员舍弃了传统的硅材料，改用塑料材质的半导 体，制造出一个邮票大小的显示屏。这种显示屏有3 5 平方公分，包含4 0 9 6 点 像素，能以每秒1 0 0 次的速度更新画面。2 0 0 4 年s u n d a r 2 4 等人制备的红荧烯单 晶o t f t 迁移率达1 5 4 c m 2 v s 。同年，基于并五苯单晶的o t f t 室温迁移率达 3 5 c m 2 v s ，低温( 2 2 5k ) 时迁移率更高达5 8 c m 2 n s 2 5 1 。2 0 0 4 年5 月，在美国西 雅图举行的“s i d2 0 0 4 ”展示会上，p h i l i p s 公司展示了分别利用美国e - i n k 公司的 微胶囊型电泳显示屏，及利用美国s i p i x 公司的m i c r o c u p 型电泳显示器研制的 两种卷轴型电子纸。这两种电子纸屏幕尺寸均为5 英寸，屏幕解析度为3 2 0 x 2 4 0 像素。卷轴型电子纸样品由o t f t 所在的塑料底板与电泳显示屏构成，可以一层 一层卷成半径2 e r a 以下的圆筒。而索尼公司年初推出的电子书籍就使用了e i n k 公司两年前开发的电子纸技术。此外，日本普利斯通公司和九州大学也在会上宣 布开发出了以并五苯膜为基础的电子纸，虽然其无源数组式( p m ) 驱动面板尺 寸仅3 1 英寸，屏幕解析度也只有1 6 0 x 1 6 0 像素，但0 2 m s 的响应时间为今后电 子纸显示动态图像创造了条件。2 0 0 5 年，j o s h u an h a d d o c k 等人【2 6 】制备的基于 p o l y 3 - h e x y lt h i o p h e n eo t f t 场效应迁移率高达2 1 4c m 2 v s ，最近几年中，i b m 的研究人员通过改变有机晶体管中掺杂的绝缘材料，把塑料平面显示器的工作电 压降低到了目前已批量生产的非晶硅晶体管液晶显示器的水平，有机材料的电子 迁移率也得到了大幅提高。 在国内，中科院长春应用化学研究所、中科院化学研究所、清华大学等一些 单位相继开展了这方面的研究。长春应用化学所采用高介电常数的t a 2 0 5 做栅绝 缘层，以酞菁铜做有源层，场效应迁移率为0 0 1 c m 2 v s ，阈值电压为1 2 5 v t 2 7 ； 他们把印章技术应用于制备有机n 吓，以p h t 做有源层，场效应迁移率为1 7 x l o 五 c m 2 v s ，阈值电压为1 0 v 。清华大学在柔性衬底上旋涂绝缘层，蒸镀并五苯有源 层制备了全有机1 r i 叮，场效应迁移率为2 1 x 1 0 2 c m 2 v s ，开关电流比达到1 0 5 ，口8 】 并且研究了o 叮的弯曲电特性以及1 4 2 0 对o t f t 的寿命影响。 上海大学发光与光电研究室和新型显示技术与应用集成重点实验室从2 0 0 4 年开始从事有机薄膜晶体管的研究工作，虽然起步晚但发展很快，基于多年在 3 上海大学博士学位论文 有机发光器件研究方面积累的丰富经验，为有机t f t 的科研启动打下了坚实的 基础。用磁控溅射和热生长两种工艺制备了绝缘层，研究了多种有机半导体材 料的o t f t 器件，同时对器件的结构上进行了改善。新型有机电致发光器件可 用于背光和显示，将其与有机叮集成在玻璃或柔性衬底上，无论在科研还是 在产业经济方面都有重要价值和意义。表1 1 是总结了从1 9 8 4 年到2 0 0 5 年文 献报道的有机场效应晶体管的最高载流子迁移率。 表1 1 从1 9 8 4 年到当前文献中报道的有机场效应晶体管的最高的载流子迁移率。 3 8 1 4 上海大学博士学位论文 注释：e 为电子型，【s o l 为单晶材料，( v ) 真空沉积，( s ) 为溶液加工，阳u 为没有报道 与一般无机1 1 f t 相比，有机n 叮具有以下优点：有机材料容易获得，o t f t 的制作工艺也更为简单，能够有效地降低器件的成本。有机薄膜技术更多、更 新，使得器件的尺寸能够更小，集成度更高，使得应用o t f t 的电子元器件可 以达到更高的运算速度和更小的操作功率。利用有机薄膜大规模制备技术，可 以制备大面积的器件。通过对有机分子结构进行适当的修饰，可以得到不同性 上海大学博士学位论立 能的材料。因此通过对有机半导体材料进行改性就能够使o t f t 的电学性能达 到理想的结果。 未来，把显示器像报纸一样卷起来放进背包将成为时尚，人们可以随时打 开它来收看电视节目或者连入因特网，随着有机材料显示技术的不断发展，柔 性视频显示器将越来越受到人们的青睐。 1 2 有机薄膜晶体管的结构及工作原理 1 2 1 有机薄膜晶体管的结构 有机薄膜晶体管通常是由基底、栅电极、绝缘层、半导体有源层、源漏电 极五个部分组成。按照源漏电极和半导体层沉积顺序的不同可以分为顶接触器 件和底接触器件。源漏电极沉积在半导体层上面称为项接触型有机晶体管，反之 源漏电极位于半导体层下面称为底接触型有机晶体管。器件结构如下图1l 所 示。 半导雉层 恿基磊圆 j垫鳋层 l _ 野i 【基庭 圈1 , 1 有机薄膜晶体管的器件杓型：顶接触器件淖蒲电撮通过掩模版沉积在有机半导 体层上面( b ) 底接触器件有机半导律层覆盖在包古豫嗣电楹 这两种构型的有机晶体管各有其优缺点。对于顶接触型唧来说，其载 流子迁移率要高许多；如果引入光刻工艺，最大的问题是器件的加工性；园为 大部分有机半导体都有很强的化学敏感性，在源漏的光刻加工过程中所用的化 学溶剂通常污染有机半导体层，造成器件性能的降低。对于底接触型o t f r 来 说，光刻工艺可以在半导体材料沉积之间进行。但由于有机半导体层沉积在含有 上海大学博士学位论文 源漏电极底栅绝缘层上导致在电极和绝缘层界面出形成台阶，限制了电荷的注 入，从而降低了器件性能。在本论文中，我们制备的器件大多采用顶接触型， 使用漏掩模版( s h a d o wm a s k ) 沉积源漏电极，避免复杂的光刻工艺以及化学溶剂 对绝缘层的腐蚀【删。 下面将通过以酞菁铜有机薄膜晶体管为例，介绍有机场效应晶体管的工作 原理。有机场效应晶体管是一个三电极系统包括栅极、源极和漏极。源电极接 地，通过栅源电压( v o s ) 来调节源漏电流( i o s ) 。对于传统的增强型 ( e n h a n c e m e n t ) 有机晶体管来说，v g s 为零电压时为关态( o f f - s t a t e ) ，此时i 粥 称为关态电流( 1 0 f f ) 。当v o s 为一定的负电压时器件成开态( o n - s t a t e ) 。此时i d s 称为开态电流( 1 0 n ) 。有机晶体管有两条的特性曲线分别为输出特性曲线 ( i d s - v d s ) 和转移特性曲线( i d s - v g s ) 。输出特性曲线是在不同的v g s 下i d s 随着 v g s 的变化曲线，它又可以分为线性区和饱和区两个区域；对于传统的p 型累 积模式的酞菁铜晶体管而言，当所加的v g s 为正电压，器件工作在一个耗尽模 式，导电沟道的载流子被耗尽，产生一个高的沟道电阻( 关态) 。当所加的v o s 为负电压时，器件工作在一个累计模式，大量的载流子被累计在半导体层和绝 缘层的界面处，形成低电阻的导电沟道( 开态) 。然而对于n 型半导体而言， 其主要载流子为电子，所加的栅极电压正好和p 型的相反。 酞菁铜本身是典型的p 型半导体，主要的