（材料物理与化学专业论文）有机静电感应晶体管工作特性的研究.pdf

哈尔泞理t 夫学t 学颐 学位论文 有机静电感应晶体管工作特性的研究 摘要 随着电子产业的发展，集成电路在各种电子装置中发挥着越来越大的作 用，而晶体管是集成电路中不可缺少的重要元件。晶体管的电气性能会影响 到整个集成电路的功能，而它自身的结构尺寸极大的影响了其电气性能。传 统的晶体管由以硅为代表的无机半导体材料制成，虽然它具有优异的电子特 性，但其价格昂贵，并且其结构尺寸已经接近了小型化的极限。近年来，对 有机半导体材料制成的有机半导体器件的研究已经成为热点，并且有机器件 已经在显示器驱动等诸多领域成功应用。 自从有机半导体器件问世并得以应用以来，有机静电感应晶体管的工作 特性主要是通过实验实测的方法获得，其工作特性一直没有得到系统的、理 论化的研究和阐述。有机静电感应晶体管工作特性的理论化研究为有机静电 感应晶体管的应用提供了相应的理论基础，具有重大的理论及现实意义。 本文针对已制作的有机静电感应晶体管建立物理模型，并将其简化为二 维模型。选取适当的结构参数，运用有限元法，采用适当的边界条件求解泊 松方程，得到了一系列离散的电势和电场数值，并依据这些数值绘制出了相 应的电势和电场分布图形。通过对图形和数值的分析，解析了偏压条件和结 构尺寸对有机静电感应晶体管工作特性的影响，并给出了有机静电感应晶体 管沟道中势垒附近纵向和横向上的一维电势分布满足的二次方规律关系式。 对有机静电感应晶体管的工作特性进行了较为系统的、理论化的研究。 关键词静电感应晶体管；有机半导体材料；有机晶体管；有限元模拟 ：尘兰矍三查兰：兰竺：兰竺兰三 t h er e s e a r c ho ft h eo p e r a t i o n a lp r o p e r t i e so f o r g a n i cs t a t i ci n d u c t i o nt r a n s i s t o r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ci n d u s t r y , i n t e g r a t ec i r c u i tp l a y sm o r ea n d m o r e i m p o r t a n t r o l e i nv a r i o u se l e c t r o n i c d e v i c e ，a n d t r a n s i s t o r sa r e i n d i s p e n s a b l ec o m p o n e n t si ni n t e g r a t ec i r c u i t t h ee l e c t r i cp r o p e r t i e so f t r a n s i s t o r ， w h i c ha r ea f f e c t e db yt h es t r u c t u r a ls i z eo fi t s e l fd e e p l y ，a f f e c tt h ef u n c t i o no f e n t i r e i n t e g r a t e c i r c u i t t r a d i t i o n a lt r a n s i s t o r sa r em a d eo fu n o r g a n i c s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l ，i nw h i c hs i l i c o ni st h em o s tc o m m o n a l t h o u g ht h e y h a v ee x c e l l e n te l e c t r o n i cp r o p e r t i e s ，t h e i rp r i c ei sh i g h ，a n ds t r u c t u r a ls i z eh a s a p p r o a c h e dt h el i m i to fm i n i a t u r i z a t i o n i nr e c e n ty e a r s ，t h es t u d yo nt h eo r g a n i c s e m i c o n d u c t o rc o m p o n e n t sm a d eo fo r g a n i cs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a lh a sa t t r a c t e d m u c ha t t e n t i o n , a n do r g a n i cc o m p o n e n t sh a v eb e e na p p l i e ds u c c e s s f u l l yi nm a n y f i e l d ss u c ha sd i s p l a yd r i v i n ga n ds oo n s i n c eo r g a n i cs e m i c o n d u c t o rd e v i c e sh a v eb e e ni n v e n t e da n di nu s e ，t h e o p e r a t i o n a lp r o p e r t i e so fo r g a n i cs t a t i ci n d u c t i o nt r a n s i s t o r ( o s i t la r em a i n l y o b t a i n e db ym e a n so fe x p e r i m e n t ，a n di t so p e r a t i o n a lp r o p e r t i e sh a v en o tb e e n s t u d i e da n de x p l a i n e ds y s t e m a t a c i a l l ya n dt h e o r e t i c a l l y t h et h e o r e t i c a ls t u d yo n o s i t so p e r a t i o n a l p r o p e r t i e s h a so f f e r e dr e l e v a n tt h e o r e t i cb a s i cf o rt h e a p p l i c a t i o no fo s i t ，w h i c hi so fg r e a tt h e o r e t i ca n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i st h e s i s ，t h ep h y s i c a lm o d e lo fo s i tf a b r i c a t e dw a se s t a b l i s h e da n d s i m p l i f i e dt oa t w o - d i m e n s i o nm o d e l t h ep o i s s o ne q u a t i o nw a ss o l v e db yf i n i t e e l e m e n tm e t h o dw i t ha p p r o p r i a t es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dp r o p e rb o u n d a r y c o n d i t i o n , a n das e r i e so fd i s c r e t ee l e c t r i cp o t e n t i a la n df i e l dv a l u ew e r eo b t a i n e d t h ed i s t r i b u t i n gf i g u r e so ft h ee l e c t r i cp o t e n t i a la n df i e l dw e r ep l o t t e db a s e do n t h ed i s c r e t ep o t e n t i a la n de l e c t r i cf i e l dv a l u e s t h ee f f e c to fb i a sv o l t a g ea n d s t r u c t u r a ls i z eo nt h eo p e r a t i o n a lp r o p e r t i e so fo s i th a sb e e ns t u d i e db yt h e a n a l y s i so ft h e s ef i g u r e sa n dd a t a , a n dt h eq u a d r a t i cf o r m u l a so ft h e o n e d i m e n s i o np o t e n t i a lp r o f i l ea l o n ga n dc r o s st h ec h a n n e li nt h ev i c i n i t yo ft h e - i i 睁尔泞理丁大学t 学砷卜学位论文 p o t e m i a lb a r r i e rh a v eb e e np r e s e n t e d t h eo p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i co f o s i th a s b e e ns t u d i e ds y s t e m a t i c a l l ya n dt h e o r e t i c a l l y k e y w o r d ss t a t i ci n d u c t i o nt r a n s i s t o r ；o r g a n i cs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l ；o r g a n i c t r a n s i s t o r ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n - i i i - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原刨性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文有机静电感应晶体管工作 特性的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：亟星日期：协，年弓月，日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 有机静电感应晶体管工作特性的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔 滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全 了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工 大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或 部分内容。， 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：盂星日期：w 形年弓月d 日 导师签名： 多慨日期o 。f 年7 月j 睁尔泞理二r 大学t 学动+ 学付论文 第1 章绪论 1 1 本课题研究的背景及意义 电子元器件及其系统集成的基础理论研究及产业化技术的急速发展极大地 推进了现代社会的进步。这些电子元器件使用的以硅为代表的无机半导体材料 具有优异的电子特性，在可预见的将来仍处于不可动摇的地位。硅晶体之所以 能够长期成为电子材料领域的佼佼者，是因为采用硅晶体制造的电子元器件和 芯片在速度、精密性或导电性上占有得天独厚的优势，其电流能以0 i m 2 v s 的高迁移率在电路之间快速传输。但是硅晶体制造电子元器件和芯片工艺十分 复杂，。制造成本也非常高，并且目前使用的无机光刻技术已接近器件小型化的 自然极限，由于元件越来越小，导线越来越细，电阻越来越大，热效应限制了 集成块的性能。另外，信息在连接两个芯片之间的导线内的传输滞后限制了计 算速度。电子器件的发展，尺寸越来越小，器件尺寸的缩小和发展年代呈指数 关系。根据科学家的预测，无机半导体集成电路根据m o o r e 定律，将在2 0 2 0 年左右走到其发展极限。为了解决这一问题，科学家们千方百计寻找硅晶体的 替代物来制造电子元器件和电子芯片，上世纪6 0 年代初期发现一些有机晶体 具有半导体特性，从此开辟了一个新的研究领域，即有机材料作为物理功能 ( 光、电、磁) 材料的研究。近年来，随着有机导电材料的发展，无机场效应管 的绝缘层、半导体和栅极都歼始有人尝试用有机物来进行替代。 静电感应晶体管( s t a t i ci n d u c t i o nt r a n s i s t o r ，缩写s i n 是一种与结型场效应 晶体管有类似结构的垂直沟道器件，是由西泽润一博士于1 9 5 0 年开始设想， 于1 9 7 1 年试制成功”1 。场效应晶体管是种“利用静电电场进行控制的器件”， 而静电感应晶体管( s i t ) 是真正去除负反馈效应，利用静电感应控制电流的器 件，因此器件具有 饱和的类似真空三极管的特性，并且具有优良的指数函数 电压一电流工作特性“1 。s i t 是一种利用栅电压来控制多数载流子注入的半导 体器件。具有高的输入阻抗和跨导、低的输出阻抗、低噪声等优点。它的漏极 电流具有负的温度系数，可避免因温度升高而引起的恶性循环效应，便于采用 多沟道直接并联的方式来提高器件的电流容量。另一方面，s i t 的电流通路上 不存在p n 结，一般不会发生热不稳定性二次击穿。s i t 的垂直沟道结构，使 电子通道短而宽大，因而没有一般场效应晶体管在电流与电压方面的限制，能 啥女：滨珲t 大学t 学绚卜学特诒史 承受高电压、大电流，很适合于制造大功宰管。s i t 是短沟道多子器件，无电 荷积累效应，因而即使在大功率情况下，瞬态响应速度快，失真度小。总之， 这种器件具有歼关速度快、频率特性好的优点“，已经成为微电子行业中的重 要元件之一。 然而，目i i 所接触到的s i t 多数是无机材料的，而无机薄膜s i t 的尺寸已 接近小型化的自然极限。这个极限值决定了半导体材料的电子性能和加工成器 件的方法，若要进一步提高电路的集成度，并充分发挥s i t 的临界特性，需要 从结构和材料两方面进行改进。本课题研究的足利用p 型有机半导体材料酞菁 铜制作的有机静电感应晶体管( o r g a n i cs t a t i ci n d u c t i o nt r a n s i s t o r ，缩写o s l t ) 。 相对于由无机材料制成的器件，它具有成本低、成膜技术多、制作工艺简单、 柔韧性好和易于制成大面积器件等优点。因此，有机静电感应晶体管具有更 为广阔的市场莳景，可以制作出各种性能优越的智能卡、液晶显示器的驱动 器、各种一次性存贮装置和计算机外围显示控制的开关阵列等等。 目前，对有机静电感应晶体管的研究还处于实验阶段，对器件性能的判断 主要通过实测数据。自从样品试制成功后，一直没有得到理论上系统的研究和 阐述。本文通过使用有限元法对有机静电感应晶体管的工作特性进行了较为深 入的研究，为今后系统的总结其工作机理奠定了理论基础，为达到实用化目标 获得理论依据和方向。 1 2 国内外相关领域的研究进展及成果 1 2 1 有机半导体材料的研究进展 有机半导体材料拥有无机半导体材料不可比拟的优点，已成功的用于制作 场效应晶体管外，在制备发光二极管、光波导、光开关、图象传感器、调制 器、有机平板显示屏等方面也有着广泛的应用”。有机聚合物半导体材料作为 新型光电材抖正以其优异的光电性能吸引着全世界的目光”1 。目前作为制作有 机晶体管的材料主要有有机聚合物和小分子有机薄膜。典型的小分子有机材料 是芳香族碳氧化合物，例如酞菁系列色素、并四苯、并五苯和噻吩低聚物等； 聚合物主要有聚噻吩基l 2 - 二氯乙烯( p o l y t h i e n y l e n ev i n y l e n e ，p t v ) 等”“”。 1 有机半导体材料的分子电子结构特征无机半导体材料的结构特征是原 子的排列具有周期性及长程有序性。晶格中原子间存在着强芪价键或强离子 键，因此通过密堆积结构中原子轨道重叠的强交换作用形成导带和价带，外层 哈尔演理t 大学t 学硕+ 学帑论文 电子可以在整个晶体中自由运动，因而很容易发生电荷输运：可是在有机半导 体材料中不存在长程有序性，分子日j 的结合主要是由分子问范德华力形成，因 此化学键相当弱，同时分子轨道重叠和分子日j 电荷交换也比较弱，因此经典的 无机半导体理论不再完全适用有机半导体。 2 有机半导体材料的理论模型在外电场作用下，注入的电子和空穴分别 向正极和负极迁移，这个动态过程被认为是载流子传输。在处理有机聚合物 器件中电荷的输运等问题时，常常借鉴一些理论模型来处理问题，常用的主要 有有机分子轨道理论和无机半导体的能带理论。 ( 1 ) 分子轨道理论要点是：在分子中的任何电子可看成是在所有原子核和 其余电子所构成的势场中运动，描述分子中单个电子运动状态的波函数称为分 子轨道，分子轨道可以表示为原子轨道的线性组合，对应于每个分子轨道有一 相应的能量。在分子轨道理论中，一般称最高的占有电子的n 键成键轨道为最 高占有分子轨道( h i 曲e s to c c u p i e dm o l e c u l a ro r b i t s ，简称h o m o ) ，最低的 未占有电子的+ 键反键轨道为最低未占有分子轨道( l o w e s tu n o c c u p i e d m o l e c u l a ro r b i t s ，简称l u m o ) 。电输运是靠载流子在不同分子的h o m o 或 l u m o 能级之日】的跳跃( h o p p i n g ) 完成的。 ( 2 ) 能带理论。有机聚合物材料的分子结构和无机半导体材料相比有很大 的差别，它不具有长程有序性。基于能带理论的无机半导体物理经过几十年的 发展已经相当成熟；而有机聚合物电致发光研究只有短短的十年时间，还没 有建立一套独立的比较完整的理论，但考虑到有机发光材料也具有光吸收边及 电导率o i t 的关系，表明存在带隙，可借用能带理论描述。另外光致发 光( p l ) 谱较宽表明禁带中有许多缺陷能级。迁移率低表明允带窄，能带曲率比 较小，有效质量大。因此常常作为一级近似采用能带理论来处理有机，聚合物 的发光及载流子输运等问题”。 3 有机半导体材料中载流子的注入和输运研究载流子注入机理对有机聚 合物器件结构的优化设计是十分必要的，特别是对于降低器件的开启电压、提 高器件场效应迁移率有着i 常重要的意义。从目前的文献上报道的载流子注入 机理研究上看，大致可以分为三类：热电子发射注入，隧穿注入和空间电荷限 制注入“。实验中通常采用下面几种模型来研究有机聚合物与会属界面处的载 流子注入机制：福勒一诺德海姆遂穿模型( f o w l e r - n o r d h e i mt u n n e l i n gm o d e l ) 、 热电子发射模型( t h e r m i o n i ce m i s s i o nm o d e l ) 、空间电荷限制注入( s p a c e - c h a r g e l i i i i i 砌i n j e c t i o n ) 、陷阱限制传输( t r a p 1 i m i t e dt r a n s p o r t ) 和界面限制注入 ( i n t e r f a c e - l i m i t e di n j e c t i o n ) “。上述五种情况是在研究有机电致发光器件载流子 哈尔泞珲t 大学t 学硕卜学位论文 注入和传输特性时常用的几种模型。由于有机材料往往可能具有非固有陷阱状 态，杂质和薄膜沉积过程中的损坏等，因此单用一种模型，往往不能很好地描 述器件在整个电压范围内的厶矿特性，有时一种器件涉及到几种机制。而且对 于不同的材料体系，不同结构的器件，符合的模型也不尽相同。因此，建立一 套合理的载流子注入及传输理论模型仍是研究有机聚合物器件的重要任务之 一n 羽。 4 目前常用的有机半导体材料并五苯、酞菁铜 ( 1 ) 并五苯 并五苯( p e n t a c e n e ) 是一种碳氢化合物，分子式为c 2 2 h 分子结构如图1 1 所示，它表现出高迁移率，其范围相当于非晶硅。用真空技术制造而成的并 五苯薄膜，其场效迁移率达到1 7 c m 2 n s 但成本较高。另外，并五苯必须在 真空状态下加工，且保存寿命不长，在受控制的实验室环境中最多能保存一 年，在自然环境下，平均只能保存l 3 周。虽然它有这些局限性，但却是迄 今为止科学家们发现的最理想的有机半导体材料。 图l l 并五苯的分子结构 f i g 1 1t h em o l e c u l e $ t r u c r l r eo f p c n t a c e n e 几家著名的实验室用并五苯作为基本材料，获得了一些引人瞩目的成果。 贝尔实验室的科学家在并五苯的启示下研制出了一种名叫f 1 5 的有机材料。 2 0 0 0 年6 月，贝尔实验宅将其塑料晶体管技术授给了生产电子墨水与屏幕的 e l n k 公司。朗讯与e i n k 正在合作研制电子纸原型，这种细薄的塑料片可望充 当显示屏，应用于电子书籍与屏幕、蜂窝电话以及手持式设备。 2 0 0 1 年9 月，日本的于叶大学和产业技术综合研究所( 产综研) 分掰开发出 了在通道区使用并五苯有机晶体管。千叶大学使用了静电感应晶体管( s i t ) 结 构。频率为3 0 4 0 k h z ，作为有机晶体管其高频特性相当好。由于使用了非结 晶状态的并五苯，所以尽管空穴迁移率为1 x 1 0 弓c m 2 v s ，低于结晶状态的并五 苯，但通过s i t 结构提高了频率特性。并五苯薄膜的厚度为2 0 0 n m ，晶体管的 栅极长度为o 2 p x n 。另一方面，产综研开发的元件采用了p 型场效应晶体管 旺e n 结构。该研究所在迥料底扳上制成了f l 玎。由于底板可弯曲，因此有望 用于生产可弯曲的t f t 显示面板。并五苯呈多结晶状态，空穴的迁移率为 哈尔慎理t 大学丁学矽卜学壁论史 o 6 0 7 e r a 2 v s t 与非结晶硅相当。但目前该元件的源极间的漏电电流为6 1 0 4 a 。 在2 0 0 1 年，吉林大学电子科学与工程学院的集成光电子学国家重点实验 室，采用物理气相沉积法在水平系统中，用l o - - 3 0 m g 的源生长出有机半导体 并五苯晶体薄膜1 ”。原材料为美国a l d r i c h 公司产品，粉末纯度为9 9 。基本 温度控制器控制精度在o 5 范围内，用内置热电偶测量温度。源区距离入气 管4 c m ，晶体沿着水平管沉积生长。源区温度2 8 5 ，沉积区温度2 2 0 。实 验时通以惰性气体氩，气体流量率为5 0 m l m i n 。 ( 2 ) 酞菁铜 酞菁( p h t h a l o c y a n i n e ，p c ) 足一种古老的化合物，自1 9 0 7 年b r a u n 等第一 次发现以来，已有近百年的历史。它是一个二维的平面大环共轭分子，具有 1 8 电子芳香结构。环中心的两个氢原子( 无金属酞葺) 可以被大量的化学元素 取代( 金属酞菁) ，同时酞菁分子外围的4 个苯环上的1 6 个氢原子可以被大量的 基团取代生成取代酞菁。取代酞普又分为对称酞菁( 酞瞢分子外围4 个苯环上 的氢原子被相同的基团取代) 和不对称酞菁( 酞菁分子外围4 个苯环上的氢原子 被不同的基团取代) 。另外还有多核酞普以及双层和3 层结构酞葺等。由于其 化合物种类的多样性和高的化学稳定性( 在空气中加热到4 0 0 5 0 0 不发生明 显分解) ，使得酞瞢的基础研究和应用研究都得以广泛进行“。 最初酞菁作为蓝色和绿色染料广泛应用于汽车油漆。印刷用墨水和纤维纸 张的染料等方面，随着研究的不断深入以及新的酞瞢化合物的合成，近年来酞 、菁在现代的一些新兴科技领域也得到了广泛的应用。它已在激光打印、静电复 印、高密度可读写光盘和相关的信息存储设备中得到了应用。研究表明酞菁作 为有机发光二极管的传输材料、场效应晶体管的半导体材料、传感器的敏感材 料等方面也展示了诱人的应用前景。另外，酞普的研究还涉及非线性光学、液 晶彩色显示和催化等方面。 本研究中所采用的足p 型有机半导体材料为酞菁铜( c o p p e rp h t h a l o c y a n i n e ； c u p c ) ，酞菁会属和酞菁铜的分子式如图1 2 所示。 酞葺类化合物具有特有的光谱特征和较高的稳定性，许多取代酞菁会属配 合物所显示出的光、电、磁、生化等特性以及作为分子器件元件的潜在应用前 景受到了广泛的关注。它们具有热化学稳定性，非常适合通过蒸发法制成薄 。膜。酞菁由于种类繁多，成膜方式可以根据其不同的性质选择，现在常用的成 膜方法有真空蒸镀成膜、l b 技术成膜和分子自组装膜等。实际上，酞普薄膜 的导电特性是通过活性气体的吸附和解吸附作用得到加强的。在这个过程中空 哈尔泞理t 大学t 学颐t 学伊论文 间电荷层内产生可移动的电荷，这样通过空穴或电子使导电特性增强”“。因 此，酞箐物的空间电荷层的导电特性和它们的气体吸附作用对于理解它们的传 感特性是重要的。酞葺铜被看作非常常用和性能稳定的p 型有机半导体材料之 一【1 7 1 。 图l - 2m p c 和c u p c 的分子式 f i g 1 - 2t h em o l e c u l a r s t r u c t u r eo f m p ca n dc u p c 由于酞菁铜具有较好的热化学稳定性和感光性，适合作为有机半导体器件 的活跃层，本研究就是采用真空蒸镀的方法使用此种材料作为o s i t 的活跃层 1 1 1 9 1 1 2 2 有机器件的研究进展 有机器件是有机电子学发展的一个重要方向，有机电子器件作为存储、开 关元件有着广泛的领域，有机电子器件与发光器件结合的有机光电器件”“显 示出巨大的应用潜力，例如有机器件与有机发光管集成的有源象素成为目前人 们研究的热点。它具有非常突出的优点，可以用来制作大面积、具有柔韧性的 显示器件，不久的将来，还将会出现超薄、透明并且可以卷曲的显示器，甚至 人们梦想在报纸上看视频新闻也将变为现实。有机器件由于具有轻薄、柔韧的 特点，它的发展无疑对航空、航天技术等各行各业产生深远的影响。1 。 晶体管作为电子器件的核心元件，一直足有机半导体研究的重要领域。目 前美、日、欧等发达国家研究的有机薄膜晶体管足采用m o s f e t 结构。但是 考察目前发表的有机m o s f e t 器件的特性，由于有机半导体的载流子浓度和 迁移率很低，导致其工作特性不理想，如开关速度低、驱动电压高( 3 0 1 0 0 v ) 等缺点而难于实用化。从开关速度和电压放大倍数等参数来看尚难作为实用的 睁尔泞理t 大学t 学硕卜学p 论文 电子器件。为改善有机m o s f e t 器件的性能，提高控制有机电子器件工作特 性的载流子浓度和迁移率，已作了很多努力，如提高有机半导体材科的结晶度 或通过搀杂提高载流子浓度等。有机半导体的载流子迁移率随着材科和器件制 作技术的进步不断提高，目前已可应用于智能卡和显示器。目前国内也已成功 地应用有机半导体材料酞菁铜制作了有机场效应晶体管”，。 ， 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 s ，o l e d ) 是有机电子器件中另 一重要研究领域。从1 9 8 7 年美国柯达公司和1 9 9 0 年英国剑桥大学”1 ，先后 对有机小分子o l e d 及聚合物高分子o l e d 的研究发表之后，在短短的l o 年 左右，已有相当快速的发展。同液晶显示器相比，有机发光二极管显示器的突 出优点是构造简单、自发光不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速 度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、制造成本低、低功耗等。它从根 本上克服了液晶显示的诸多缺点，如亮度、视角、背光源引起的体积和耗电量 大、制作工艺复杂、大面积成本昂贵等缺点。将在很大程度上取代目前l c d 在平板显示领域的主流地位。 目前国内有关有机电子器件的研究热点集中在有机发光二极管领域。清华 大学和吉林大学已经研制出红、黄、蓝、白、绿等彩色有机发光器件和显示 屏。目前世界上重点研究开发的o l e d 显示器，结构上属于二极管，其驱动方 式是用无机集成电路( 无源驱动o l e d ) 低温多晶硅薄膜晶体管t f t ( 有源驱动 o l e d ) 驱动方式实现。无源矩阵选址时串扰小，但它选址行数受峰值亮度的限 制，因为它的平均亮度等于峰值亮度乘以占空比，较高的峰值亮度将降低它的 发光效率。在最近一段时间，扫描行数可能会限制在1 2 0 ，采用双重矩阵，行 数可以增加到2 4 0 ，相当于s t n l c d 的一半。有源驱动o l e d 每个像素需要 二至四个薄膜晶体管，这是因为它是个电流器件，类似t f t - l c d 中的存储 电容无法保证在整个选址期内为o l e d 提供稳定的电流。存储电容只能用来控 制另一只晶体管的栅压，使该晶体管给象素提供稳定的电流。由于驱动方式采 用无机集成电路或低温多晶硅t f t ，导致o l e d 产品结构复杂、成本上升，最 为关键的是其亮度难以精细控制，严重制约该产品在高端显示器领域的应用。 本课题研究的有机静电感应晶体管，采用真空蒸发法可完成元件的制作， 实现制作工艺的简约化”1 。使用酞葺系列有机材料制作的酞普铜o s i t 和酞菁 镍o s i t 部经实验证实具有较好的动态特性和静态特性“”。 呛尔演理t 大学t 学硕十- 学p 论文 1 3 存在的不足和待深入研究的问题 虽然固体能带理论和晶格动力学己对无机半导体材料的研究和应用探索等 方面起了指导作用，并已被实践证明是十分成功的，但在解释有机半导体和光 导体现象上仍有许多不适用的地方。主要原因是有机固体在化学和结构上往往 较为复杂，所以有机半导体理论还有待进一步发展。 有机电子器件的稳定性不高，现有的研究结果对器件性能衰退的机理了解 仍然十分有限。对作为有源层的有机材料，空穴和电子的注入对应着电化学的 氧化还原过程，因此有机材料自身的稳定性和电化学的稳定性将直接关系到器 件的寿命：在小分子蒸镀膜器件中，界面的相互扩散也是影响器件稳定性的重 要因素；金属电极与接触的有机材料发生相互作用而产生界面态，对器件的效 率和寿命也会造成一定的影响；i t o 的表面平滑度差、面电阻的太大，也将影 响器件的特性及稳定性。并且有机材料的迁移率一般较低，因此有机器件的性 能比无机器件稍差。 有机静电感应晶体管作为一种新型的电子器件，在器件工作机理，尤其是 有机半导体材料中载流子的发射、输运机制、界面效应，尚有很多不明之处。 目前有机静电感应晶体管还处于实验阶段，其工作特性一直没有得到系统的、 理论化的研究和阐述。 1 4 课题的来源和主要研究内容 本课题来源于黑尼江省科技厅攻关项目：有机薄膜晶体管关键技术的研 究。 本课题研究的酞葺铜有机静电感应晶体管于1 9 9 9 年试制成功，其机能层 为p 型有机半导体材料酞葺铜，栅极为a j 膜，制成梳状栅结构，与酞菁铜有 机材料形成肖特基接触，源极和漏极为a u 膜，与酞葺铜有机材料形成欧姆接 触。具有a u c u p c a i c u p c a u 的五层结构，本课题应用有限元法和数学软件 m a t l a b 对o s i t 的工作特性进行了分析。 1 参照实际制作的o s i t 结构建立二维物理模型，为使解析简化，在假定 器件的厚度方向电气特性相同的条件下，取其二维横向剖面场域作为研究对 象。 2 研究对于结构尺寸固定的器件，分别改变栅极偏压和漏极偏压时其沟道 中电场、电势和工作电流的变化，并分析偏压改变对栅效率的影响。 睁；，：泞理t 大学t 学碲卜学持论文 3 研究偏压条件不变的情况下，结构尺寸改变时沟道中鞍部点电势和工作 电流的变化，并分析结构尺寸的改变对栅效率的影响。 4 研究o s i t 导电沟道内鞍部点附近纵向和横向的电势分布满足的方程。 睁分泞璋t 上学t 学母卜学倍谛史 第2 章晶体管基础理论 2 1 金属一半导体接触 半导体结足指半导体与金属、半导体与半导体、半导体与绝缘体相接触时 所形成的界面。肖特基结就是由会属与半导体接触而形成的。 金属与半导体接触时，在接触面的半导体一侧出现的势垒称为肖特基势 垒。形成肖特基势龟的接触界匝为肖特基结。用真空蒸发和溅射方法在半导体 表面上淀积金属，或者用金艟触针轻轻地接触半导体表面，均能形成肖特基势 垒。由于它具有整流作用，所以可以在检波器件、开关器件中应用。最近，也 有的将其用于高灵敏度、高速响应的光电二极管和肖特基势垒栅场效应晶体管 中。金属和半导体的接触也可能形成一种非整流的欧姆性接触，这主要取决于 金属和与其接触的半导体的功函数。任何半导体器件的引出电极都是形成欧姆 性接触的金属一半导体接触“。 2 1 1 肖特基势垒的形成 图2 - 1 ( a ) 是金属和n 型半导体单独存在时的能带图。图中h 么是金属的功 函数，是一个电子从费米能级上升到金属表面静止状态 辟二。它们接触前，尚未达到平衡时 晴尔泞珲t 失学t 学颀t 学懂论文 的能级图2 - l ( a ) 所示”。 图2 - l ( b ) 是金属和1 1 型半导体相接触时的能带图。如果用导线把金属和半 导体连接起束，它们就成为一个统一的电子系统。由于原来半导体费米能级高 于金属费米能级半导体中的电子将金属流动，使金属表面带负电，半导体表 面带正电。它们所带电荷在数值上是相等的，整个系统仍保持电中性，结果降 低了金属的电势，提高了半导体的电势。当它们的电势发生变化时，其内部的 所有电子能级及表面处的电子能级都随同发生相应的变化，最后达到平衡状 态，使半导体和金属的费米能级取得一致，这种情况下不再有电子的净的流 动。相对于金属的费米能级，半导体的费米能级下降了( 阡，m 一蚴，如图2 1 ( b ) 所示。以上讨论都是金属和半导体之间的距离d 远大于原子日j 距的情况。 酉琶 曲接触前 f 。 】 态 d 形 协间隙大 e c e ； e f c ) 紧密接触d ) 忽略间隙 ， 图2 - 1 金属与n 犁半导体接触能带图( w n w 。) a ) b e f o r ec o n t a c t i n gb ) b i gg a pc ) c o n t a c t i n gc l o s e l yd ) i g n o r i n gg a p r i g 2 一ie n e r g yb a n dd i a g r a mo f c o n t a c tb e t w n1 1t y p es e m i c o n d u c t o r a n dm e t a l ( w m w i ) 哈尔滓理t 大学t 学够卜学倍论文 随着d 的减小，靠近半导体一侧的金属表面负电荷密度增加，同时，靠 近金属一侧的半导体表面的正电荷密度也随之增加。由于半导体中自由电荷密 度的限制，这蝗正电荷分布在半导体表面相当厚的一层表面层内，在这个区域 存在一定的电场，由于这个电场阻止了在半导体较远处的电子由右向左的运 动，所以把这种接触面附近形成的阻止电子运动的区域称为空间电荷区或阻挡 层，也成为肖特基势垒。又由于在这一区域不存在电子，所以也将其称为耗尽 层。这时在空间电荷区存在的电场造成了能带弯曲，使半导体表面和内部之间 存在电势差，即表面势。若d 小到可以与原子日j 距相比较，电子就可以自由穿 过日j 隙，这时接触电势差绝大部分降落在空间电荷区，如图2 - 1 ( c ) 所示。图2 1 ( d ) 表示忽略间隙中的电势差时的极限情形。 这样由金属和半导体接触所形成的金属一侧的势垒高度为 g 丸= 既一厄 ( 2 2 ) 半导体一侧的势垒高度为 口= 厣，坩一形 ( 2 3 ) 当金属与n 型半导体接触时，若f f _ ，则在半导体表面形成一个正的空 间电荷区，它使半导体表面电子的能量高于体内，能带向上弯曲，即形成表面 电势。在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度要比体内小得 多，因此是一个高阻的区域，为阻挡层。若降么 ，则金属与n 型半导体接触 时，电子将从金属流向半导体，在半导体表面形成负的空间电荷区，能带向下 弯曲。这里电子浓度比体内大得多，因而是一个高电导的区域，为反阻挡层。 其平衡时的能带图如图2 - 2 所示。反阻挡层足很薄的高电导层，它对半导体和 金属接触电阻的影响很小。 图2 - 2 金属和n 犁半导体接触能带图( w 。 w ) f i g 2 2e n e r d b a n dd i a g r a mo f c o n t a c t b e t 、e 朗nt y p es e m i c o n d u c t o ra n dm e t a l ( w m w ) 金属和p 型半导体接触时，形成阻挡层的条件和n 型相反。当彤户呒 晴尔_ ；声珲 大学 学珂i 十学伊论文 时，能带向上弯曲，形成p 型反阻挡层；当降名 戤 昂，卅 0 ) 时，将有电子自源端流向漏端，形 成了自漏极流向源极的漏源电流1 d s 。这一电流在沟道电阻上产生的压降使得 沟道区沿电流流动方问的电位不再相等。高掺杂的矿区可视为是等电位的，因 而沿沟道长度方向栅结上的实际偏压也由原来的零偏发生了大小不等的变化： 靠近源端v a s - t o ，越靠近漏端沟道n 区电位越高，即越靠近漏端栅结反向偏压 越大，空间电荷区越宽而沟道厚度越小，如图2 - 7 ( a ) 中所示。当v d s 小于栅结 接触电势差场时，沟道耗尽层的这种变化可以忽略，沟道电阻可近似的用式 ( 2 - 1 5 ) 表示，此时沟道电流1 d s 与v o s 成正比。随着v d s 增加，耗尽层的扩展与 沟道的变窄越来越不能忽略，沟道电阻的增加使得随v d s 的增加逐渐变 缓。当= 。时，沟道漏端两耗尽层相会在p 点，此处沟道宽度减小到 零，如图2 7 ( b ) 所示，此时沟道被夹断。当v d s ，时，漏端的耗尽层更厚， 两耗尽层的相会点p 向源端方向移动，如图2 - 7 ( c ) 所示。在沟道电场的作用 下，从p 点流入耗尽区并通过耗尽区流至漏效的电子数目不再随v o s 的增加而 明显增加，因而1 d s 也不再随v d s 明显增大，即l o s 趋向于饱和。饱和漏极电流 记为z d 。图2 7 ( a ) 、( b ) 、( c ) - - 种情况分别对应于图2 8 中v o s = o 曲线上的 a 、b 、c 三点。 若栅极上加以相对于源的负电位，即v o s v m 图2 7 v o s = 0 时n 沟道j f e t 的工作情况 f i g 2 7t h ew o r ks i t u a t i o no f nc h a n n e lj f e t w h e nv g s = 0 。 蟛巧 图2 - 8 不同i ：作状态的输出特性 f i g 2 8o u t p m c h a r a c t e r i s t i c sw i t hd i f f e r e n tw o r ks t a t e 2 2 3j f e t 的工作特性 1 j f e t 的输出特性曲线根据以上分析，可以理解图2 - 9 所给出的输出特性曲 线。由图可见，j f e t 的输出特性曲线可分为非饱和区、饱和区和击穿区。在 非饱和区，沟道截面几乎与v o s 无关，沟道电流l o s 与v d s 成线性关系，此时对 应图2 7 ( a ) 中的情形：饱和区的特点是当r d s 增加时l o s 基本不变，曲线接近水 平，图2 7 ( b ) 所表示的情形是刚刚进入饱和区的情形。特性曲