（材料物理与化学专业论文）改善并五苯有机薄膜晶体管性能因素的研究.pdf

学位论文版权使用授权书 1 帆y 1 m 7 吣8 4 l 帆0 m 3 m 3 帆7 哪 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：史衣易 签字日期：印扮年6 月_ 1 ，日 导师签名： 赵习趁佘 中图分类号：t n 3 2 1 5 u d c ： 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 改善并五苯有机薄膜晶体管性能因素的研究 s t u d i e so nt h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so f p e n t a c e n eo 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 t s ) 作者姓名：史大为 导师姓名：徐叙珞 学位类别：工科 学号：0 8 1 2 2 2 3 4 职称：教授 学位级别：硕士 学科专业：材料物理与化学研究方向：有机薄膜晶体管 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 j 时光如细沙从指间不经意的流过，两年的硕士生活即将结束了。回顾在交大 光电所读研的这段日子，无论在科研学习还是生活做人等各方面，都取得了一定 的进步。在此，谨对两年多来给我诸多关心和帮助的老师和同学表示忠心的感谢! 我的导师徐叙珞院士严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的感染与 感悟。作为老一辈科学家，徐先生渊博的学识，严谨的治学态度，锐意进取的创 新精神以及虚怀若谷的高尚境界让我记忆颇深。 在此向徐先生表示诚挚的敬意和美好的祝福! 同时，徐征教授，赵谡玲副教授、张福俊副教授和冀国蕊工程师给予我科研 和生活的关心和帮助，表示我深深的感谢! 本论文的实验工作是在北京交通大学光电子技术研究所，发光与信息显示教 育部重点实验室完成的。在此期间，得到了黄世华研究员、候延冰教授、何大伟 教授、滕枫教授、邓振波教授、娄志东副教授、梁春军副教授、何志群教授、衣 立新副教授、刘小君老师、姚志刚老师及光电所其他老师的无私帮助和热心指教。 他们不光在实际科研中向我提供了巨大的帮助，并共同维护了研究所良好的科研 氛围，使得我们能在一个优秀的环境中更好的学习和成长。在此一并向他们表示 衷心的感谢! 在实验工作及论文撰写的过程中，袁广才、田雪雁、孙钦军、孔超、朱海娜、 宋丹丹、黄金英、王赞、李婧、厉军明等师兄师姐都给了我很大的帮助。邹辉、 郭宇、龚伟、黄大干、王晓龙等同学也给予了极大的帮助。在此也一并向他们表 示衷心的感谢! 同时，当然也要深深的感谢我的亲人朋友! 正是由于他们在背后默默的支持， 才使我得以在求学这条路上不断地走下去，无论顺境还是逆境，他们的理解和支 持总使我能够专心于学业，一路走到今天。因此，如果说我今天能取得一点小的 成果，那里面也有他们的一半。 本论文是在国家8 6 3 项目“高性能有机薄膜晶体管材料与器件的研制 资助 下完成的，在此表示感谢。 北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 摘要：有机薄膜晶体管中绝缘层的材料和其制备方式的选择，决定了绝缘层的质 量及后续工艺，甚至最终的器件性能。对于晶体管器件的性能的提高途径除了材 料、结构的选择外，还可引入修饰层，包括绝缘层有源层界面修饰和有源层源 漏电极界面的修饰。全有机器件的制备离不开晶体管源漏电极的有机化，即利用 高导电聚合物替代金属电极。 首先，本文制备了以电子束蒸镀的3 0 0n i n 的s i 0 2 为绝缘层的晶体管器件i 和 以硅片热氧化得到的3 0 0m t l 厚s i 0 2 为绝缘层的器件i i ，器件i 、i i 的其它工艺 参数相同。当v d s = 4 0v 时器件i 的迁移率为9 2 4 8 x 1 0 3 c m 2 n s 、开关电流比6 x l o 、 阈值电压一4 1v ，当vds = 33v 时器件ii 的场效应迁移率大小为 1 8 4 3 x 1 0 c m 2 v s 、开关电流比为2 5 x 1 0 3 、阈值电压为3 v 。通过对两个器件的并 五苯的a f m 表征，发现在热氧化得到的3 0 0n l n 厚s i 0 2 为绝缘层上生长的并五苯 的质量较好，晶粒排列规则，有序度好，尺寸较大，这将导致晶界少、界面的缺 陷少，载流子被俘获几率小，更便于载流子的传输。 其次，在其它参数一样的情况下分别采用厚度为0 、o 5 、l 、1 5 、2 5n l n 的 l i f 作为电极修饰层制备了器件i 、i i 、i i i 、i v 、v ，对比器件的性能，在源漏电 压为2 4 v 时，迁移率依次为1 8 4 x 1 0 也c m 2 n s 、2 5 l 1 0 c m 2 n s 、3 4 3 x 1 0 c r n 2 n s 、 2 8 3 x 1 0 。2 c m 2 n s 、2 0 8 x 1 0 e m 2 v s ，可见l i f 优化厚度为1h i l l ，此厚度下空穴载流 子可以很好地隧穿注入到有机半导体，又可以有效地阻止a l 电极与并五苯的化学 反应和因扩散、渗透等因素导致的有机半导体表面金属化、电荷偶极层产生等， 抑制了空穴势垒在理论差值上的进一步扩大，提高了器件性能。 最后，响应全有机器件的发展趋势，实验采用掺入6w t 甘油的p e d o t p s s 溶液制作导电薄膜3 0 0 r i m 充当源漏电极，采用四探针法测量其面电阻为1 1 8 9f l d ， 换算出电导率为2 8 0 s c m 。制备顶栅底接触器件，当源漏电压为3 0v 时，场效应 迁移率为9 2 0 8 x 1 0 - 3 c m 2 v s ，开关电流比为2 5 2 x 1 0 3 ，阈值电压为8 9v 。接着分 析了掺入6 w t 甘油提高p e d o t ：p s s 溶液导电性的机理，并给出聚合物必将代替 金属做电极的理由。 关键词：有机薄膜晶体管；并五苯；s i 0 2 ；l i f ；g p e d o t ：p s s 分类号：t n 2 7 ；t n 3 2 1 5 ? l 一 - 北京交通大学硕士学位论文 a bs t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h ek i n do fm a t e r i a la n dt h ep r e p a r a t i o nm e t h o do fi n s u l a t o rl a y e r so f 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 t s ) d e t e r m i n et h eq u a l i t yo fi n s u l a t o rl a y e r s a n d f o l l o w - u pp r o c e s s ，a n de v e nt h ef i n a ld e v i c ep e r f o r m a n c e 1 h ei m p r o v e m e n ta p p r o a c h e s o ft h et r a n s i s t o rd e v i c ep e r f o r m a n c ea r en o to n l ym a t e r i a l so rs t r u c t u r a lo p t i o n s ，b u ta l s o t h ei n t r o d u c t i o no fm o d i f i e d - l a y e r s ，i n c l u d i n gi n s u l a t o rl a y e r a c t i v el a y e ri n t e r f a c e m o d i f i c a t i o na n da c t i v e l a y e r s o u r c e d r a i n e l e c t r o d e si n t e r f a c em o d i f i c a t i o n t h e p o t e n t i a la p p l i c a t i o no fo t f t si s f o rh i 曲p e r f o r m a n c ef l e x i b l ed i s p l a y s a tp r e s e n t ， u s u a l l ye l e c t r o d e so fo t f t sa r em a d ef r o mi n o r g a n i cm e t a l s ，f o re x a m p l e ，a u , a i ，e t c 1 1 1 e ya r en o ts u i t a b l ef o rf l e x i b l ea p p l i c a t i o n so fo t f t sb e c a u s et h e s em e t a l sa r ev e r y b r i t t l ea n dw i t hl o wm e c h a n i c a ls t r e n g t h a na l t e r n a t i v em e t h o di st ou s eh i 曲 c o n d u c t i v ep o l y m e r sa se l e c t r o d e so fo t f t s f i r s t l y , w eb u i l tt r a n s i s t o rd e v i c e sib a s e do n3 0 0 n mo fs i 0 2b ye l e c t r o nb e a m e v a p o r a t i o na st h ei n s u l a t o rl a y e ra n dd e v i c e si ib a s e do n3 0 0 n mo fs i 0 2b yt h e r m a l o x i d a t i o na st h ei n s u l a t o rl a y e r t h eo t h e rp a r a m e t e r so fd e v i c eia n di ia r et h es a m e w 1 1 e nt h ev d si s 一4 0 v ，t h em o b i l i t yo fd e v i c eii s9 2 4 8 x10 。t i n 2 s ，o n o f fc u r r e n t r a t i oi s6 x10 ，a n dt h r e s h o l dv o l t a g ei s - 4 1v 、1 1 e nt l l ev o si s 一3 3 vt h em o b i l i t yo f d e v i c ei ii s1 8 4 3 x10 z e m 2 v s ，o n o f fc u r r e n tr a t i oi s2 5 x10 a n dt h r e s h o l dv o l t a g ei s - 3 v t h r o u g ht h ea f mc h a r a c t e r i z a t i o no fp e n t a c e n eo ft h et w od e v i c e s ，w ef i n dt h a t p e n t a c e n eg r e wo n3 0 0 n m t h i c k n e s ss i 0 2b ys i l i c o nt h e r m a lo x i d a t i o nh a sb e t t e rq u a l i t y i t sg r a i ns i z ei sr e l a t i v el a r g ew h i c hr e s u l t si nt h el e s sg r a i nb o u n d a r i e s ，f e w e rd e f e c t si n t h ei n t e r f a c ea n ds m a l l e rp r o b a b i l i t yo fc a r r i e rc a p t u r e ，s ot h ep r o p e r t i e so fd e v e i c eii s b e t t e rt h a nt h a to fd e v i c ei i s e c o n d ，i no r d e rt oi m p r o v ec a r r i e ri n j e c t i o no fo t f t s ，w eu s el i ft om o d i f y t h es o u r c e - d r a i ne l e c t r o d e s as e r i e sd e v i c ei ，i i ，i i i ，i va n dv c o r r e s p o n d i n gt ot h e t h i c k n e s so f0 ，0 5 ，1 ，1 5a n d2 5n mo fl i fl a y e ra sa ne l e c t r o d em o d i f i e d - l a y s r e s p e c t i v e l ya r ep r e p a r e d w h e nv d si s 一4 0vt h e i rm o b i l i t ya r e1 8 4 10 吐c m 2 s ， 2 5 1 x 1 0 。2 锄2 s ，3 4 3 x 1 0 2 伽2 s ，2 8 3 x 1 0 2 锄2 v sa n d2 0 8 x 1 0 2 c m 2 v s ，r e s p e c t i v e l y i ts h o w st h eo p t i m i z i n gt h i c k n e s so fl i fi sln m t h ei m p r o v e m e n tb yl i fm o d i f i c a t i o n c a l lb ee x p l a i n e da u st h a tt h eh o l ec a nw e l lt u n n e l i n gi n j e c ti n t oo r g a n i cs e m i c o n d u c t o r s w h e nl i fi sln mt h i c k n e s s i na d d i t i o nl i fc a ne f f e c t i v e l yp r e v e n tt h ec h e m i c a l r e a c t i o nb e t w e e na 1e l e c t r o d ea n dp e n t a c e n e ，t h eo r g a n i cs e m i c o n d u c t o rs u r f a c e t f i n a l l y , r e s p o n s et ot h et r e n do fd e v e l o p m e n to fa l lo r g a n i cd e v i c e s ，w eb u i l t3 0 0 n m c o n d u c t i v ef i l mu s i n gp e d o t ：p s ss o l u t i o nm i x e dw i t h6 w t g l y c e r o li no r d e rt ob e u s e da st h es o u r c ed r a i ne l e c t r o d e s 1 1 1 es u r f a c er e s i s t a n c ei sm e a s u r e d 嬲118 9 剑口b y u s i n gf o u r - p r o b em e t h o da n di t sc o n d u c t i v i t yi s2 8 0 s c m t h ed e v i c es t r u c t u r ei sb o t t o m c o n t a c tc o n f i g u r a t i o nw i t ht o pg a t e w h e nt h ev o l t a g eo ft h es o u r c ea n dd r a i ni s3 0 v , t h e f i e l d e f f e c tm o b i l i t yi s9 2 0 8 x 1 0 c m z v s ，t h eo n o f fc u r r e n tr a t i oi s2 5 2 x1 0 3 a n d t h r e s h o l dv o l t a g ei s - 8 9 v t h e nw ea n a l y z et h em e c h a n i s mt h a tt h ei n c o r p o r a t i o no f 6 w t g l y c e r o lc a ni m p r o v et h ec o n d u c t i v i t yo fp e d o t ：p s ss o l u t i o n ，a n dg i v et h e r e a s o n sw h yp o l y m e rw i l ld ot a k eo v e rm e t a le l e c t r o d e s k e y w o r d s ：o r g a n i c t h i nf i l mt r a n s i s t o r s ；p e n t a c e n e ；s i 0 2 ；l i f ；g p e d o t ：p s s c l a s s n o t n 2 7 ；t n 3 21 5 v 北京交通大学硕上学位论文序 序 有机薄膜晶体管( 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 t ) 是通过栅压调控有源层 中导电沟道内的载流子浓度，进而左右源漏两级的输出电流的大小的场效应器件。 具有兼容柔性基板，工艺过程简单，成本低，适合大面积加工，易封装，材料来源 广泛，同时对环境友好等优异特点，被广泛应用于一些光电子器件中，如全有机 主动显示、有机传感器、有机激光、互补逻辑电路、交易卡和智能卡以及身份识 别器等等，对o t f t 的研究兼具学术和经济双重价值。 本论文采用不同制备方式得到的s i 0 2 作为绝缘层构筑器件，比较它们的各项 性能指标差异，并分析产生差异的内在机理。接着本文利用不同厚度的l i f 作为 电极修饰层，对比器件的性能，优化其厚度。并对其如何发挥电极修饰层的作用 进行了深入的研究，并对优化厚度的存在给出合理解释。最后，响应全有机器件 的发展趋势，寻找替代金属电极的聚合物，实验尝试采用一种高导的掺杂聚合物 g p e d o t ：p s s 溶液制作导电薄膜来充当源漏电极，由实验结果证明了方案的可行 性，并对导电聚合物代替金属电极的研究价值给予了乐观的肯定。 本论文是在国家8 6 3 项目“高性能有机薄膜晶体管材料与器件的研制 资助 下完成的。 北京交通大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t i v 序。v i 1 绪论1 1 1 引言1 1 2o t f t 器件结构2 1 2 1 顶栅极结构3 1 2 2 底栅极结构3 1 2 3 顶接触结构4 1 2 4 底接触结构4 1 2 3 双栅结构5 1 2 6 垂直结构6 1 3 有机薄膜晶体管材料6 1 3 1 有机半导体材料7 1 3 2 绝缘材料8 1 3 3 界面修饰材料9 1 3 4 电极材料1o 1 3 5 衬底材料1 0 1 4 有机薄膜晶体管存在问题及发展目标1 0 1 5 本论文的研究内容1 1 2o t f t 相关电学理论1 2 2 1 有机薄膜晶体管的工作机理1 2 2 2 有机薄膜晶体管的性能表征1 3 2 3 有机薄膜晶体管中载流子的注入1 4 2 4 有机薄膜晶体管中载流子的传输1 4 3 有机薄膜的形成机理及器件构筑工艺1 7 3 1 有机薄膜生长进程1 7 3 2 有机薄膜的生长模式1 8 3 3 器件构筑工艺与制备2 0 3 3 1 衬底的清洗和预处理2 0 3 3 2 成膜工艺的介绍2 2 3 3 3 实验中涉及的设备2 5 4 以不同方式制备的s i 0 2 为绝缘层的o t f t 研究3 1 4 1 实验部分3 1 4 2 测试3 3 4 3 结果分析3 5 4 4 本章小结3 9 5 氟化锂作修饰层的o t f t 研究4 0 5 1 实验部分4 1 5 2 结果与分析4 2 5 3 本章小结4 5 目录 究4 6 4 7 4 9 6 3 本章小结5 0 7 结论51 参考文献5 2 作者简历5 6 独创性声明5 7 学位论文数据集5 8 o 北京交通大学硕士学位论文 绪论 1 1 引言 1 绪论 伴随有机电子学与分子电子学的迅猛发展，有机薄膜晶体管( o t f t ) 已经被 视为时下有机电子学与分子电子学领域的一个尖端研究热点。有机薄膜晶体管 ( o t f t ) 是通过栅压调控有源层中导电沟道内的载流子浓度，进而左右源漏两级 的输出电流的大小的场效应器件。与无机半导体器件对比，有机薄膜晶体管件能 通过真空蒸镀、喷墨打印、溶液旋涂、图案压印等很多种方法制各，加工温度低， 通常低于1 8 0 0 c ，显著降低能耗的同时，也适用于柔性基板，工艺过程大为简化， 成本大幅降低，适合大面积加工，易封装。另外有机材料来源广泛，同时对环境 友好。在要求机械弹性( 柔性) 、大覆盖面积、低温处理特别是低成本方面，有机 电子器件完全可以满足中低端电子产品实用化的性能需求，目前主要用于全有机 主动显示、有机传感器、大规模及超大规模集成电路、有机激光、互补逻辑电路、 超导材料制备、计算机外围显示控制开关阵列【l 捌，还可作为记忆组件用于交易卡 和智能卡以及身份识别器，还可用于环形振荡器的逻辑门等领域。同时，利用有 机薄膜晶体管反过来可以研究有机半导体材料具有的电学性能( 载流子迁移率、电 导率等) 【3 5 】，从而为性能更优异的有机半导体材料的合成提供了依据。 t s u m u r a 等人【6 】于1 9 8 6 年首次报道有机薄膜晶体管( o t f t ) ，它的出现和进展 程度在国际上引起了广泛关注，有机薄膜晶体管的研究获得了快速的发展，许多 大公司及研发机构竞相投入研发中，特别是欧洲已经形成研发联盟，o t f t 的载 流子迁移率几乎平均以每两年提高十倍的速度发展。贝尔实验室b a t l o g g 小组利 用o t f t 首次实现有机激光的制备【l6 1 ，并制得基于o t f t 的互补逻辑电路，利用 o t f t 结构高分子材料超导性首次得以实现【1 7 】，并且c 6 0 的超导温度被提高到 1 1 7 k 博】，为超导材料的研究开辟了新路径。2 0 0 7 年，p o l y l c 推出有机1 3 5 6m h z 身份识别( r f i d ) 电路，用p 3 a t 作为半导体材料，并采用打印的方法，制备了 能够存储6 4 位数据的射频电子标签，尽管该元件的储存和处理容量还不能与市场 上的硅晶片竞争，但却显示了有机半导体器件集成电路光明的应用前景。经历二 十多年的发展，有机薄膜晶体管综合性能已经达到商业上广泛应用的氢化非晶硅 t f t 水平( 0 7 c m 2 v s ) 。目前，已出现多种基于有机半导体材料的有机薄膜晶体管 器件迁移率超过在传感器、液晶显示、低端电路方面广泛应用的氢化非晶硅薄膜 晶体管器件的迁移率5 1 。 北京交通大学硕士学位论文绪论 对于有机薄膜晶体管来说，决定其各种参数大小的因素主要有：电极中载流 子的注入到半导体中的能力；载流子在有机膜导电沟道内的输运能力；绝缘层的 介电常数大小等等【1 9 , 2 0 。并苯类化合物 2 l 】与齐聚噻吩【2 2 ，2 3 1 是有机半导体中两类典 型的高迁移率材料，它们作为有源层的晶体管器件的迁移率可以达到或超过氢化 非晶硅器件的水平。并苯类化合物以并五苯作为代表，通过改善薄膜生长条件和 改进器件结构，其晶体管器件迁移率可达5c m 2 v s 2 1 】；引入端基取代基使分子具 有自组装能力，并调控界面性质，齐聚噻吩晶体管器件的迁移率可以达到o 1 l c m 2 v s 2 2 1 。但是，这两类材料都具有较高最高被占据分子轨道能级，所以容易 与空气中存在的氧气和水发生化学反应，故而处于空气中的器件性能衰减较 快【2 4 。2 6 】。因此，制备稳定性好的高迁移率有机半导体材料仍然是有机光电子学研 究范围的重要课题之一。 相比于o t f t 性能的不断地迅速改进，o t f t 理论方面研究的进展显得缓慢 得多。目前有机薄膜晶体管理论的研究大体可以分为两类：基于传统半导体知识、 理论的模型和基于有机半导体材料微观导电输运原理的模型。 1 2o t f t 器件结构 从原理上观察，有机薄膜晶体管与无机场效应晶体管的器件结构颇为相似， 但实际上，根据有机半导体材料自身特点，o t f t 器件也相应具备了一些特有之 处。当前己经报道的o t f t 器件结构大体有两类【2 7 2 9 1 ，一是水平结构，其中水平 结构器件从漏源电极、介电层、半导体有源层的构筑顺序上分，又可细分为顶接 触型( t o p c o n t a c td e v i c e ) 和底接触型( b o t t o m c o n t a c td e v i c e ) ；而从栅电极和衬底的 相对位置上分，水平结构又可细分为底栅极型( b o t t o m g a t ed e v i c e ) 和顶栅极型 ( t o p g a t ed e v i c e ) ，而以上两种细分结构之间可以随意组合，这样水平结构就具有 了四种常规结构，另外，一种新型的双栅级结构o t f t 也被报道过，在底栅底接 触结构器件制备完成的基础上，再在有机半导体层上面淀积一层绝缘层，最后制 备顶栅电极，这样双栅结构的器件就制作完成。这种结构的器件能够很好地通 过栅级调节开启电压及开态电流，尤其在有机反相器中有很大的应用价值。另一 大类是垂直结构，也成为叠层结构，本节将分别讨论这几种主要结构和各自的优 劣势。 2 北京交通大学硕士学位论文绪论 1 2 1 顶栅极结构 顶栅极o t f t 器件结构如图1 1c 、d 所示，此结构的构筑工艺特点是栅极处 于器件的最顶层，常用的顶栅结构是首先在衬底材料上通过沉积、掩模和光刻工 艺制备出o t f t 源漏电极，使之具有理想的沟道长度和宽度，然后依次生长和沉 积有机半导体层、绝缘层，最后沉积栅极。 该结构的优势在于首先制备了源漏电极，进而沟道长度和宽度的实现可采用 目前技术比较成熟的掩模工艺和光刻工艺来制备，这样便可得到精度较高的沟道 宽度和长度，也可以得到较短的沟道长度，有利于基于低迁移率材料的晶体管器 件得到较大的沟道电流。由于顶栅结构的晶体管器件栅电极是最后沉积上去的， 这样有机半导体层就被下面的衬底和上面的绝缘层以及源漏电极包裹，器件在空 气中可以更好的保持性能稳定。缺点在于要在有机半导体层上面制备绝缘层和栅 电极，这两层薄膜的制备对有机半导体层是一个极大的考验。尤其是绝缘层，如 采用有机绝缘材料和旋涂工艺，需要考虑避免有机绝缘材料溶液的溶剂与有机半 导体材料相溶性；而对于无机绝缘层，其构筑工艺通常用电子束热蒸发，磁控溅 射等淀积，需较高的工艺温度，并伴随高能粒子物理冲撞，这会对有机半导体层 造成一定的破坏。故而这种结构多用于基于高温下稳定性好的有机半导体材料的 有机薄膜晶体管，绝缘层一般也采用溶液旋涂工艺制备。 1 2 2 底栅极结构 底栅极o t f t 器件结构如图1 1 a 、b 所示，底栅极器件结构的构筑工艺与顶 栅极结构恰好相反，在衬底上首先要制备栅电极，再依次制备出绝缘层、有机半 导体层，最后是器件的源漏电极。这种结构最先应用于依赖硅工艺的有机薄膜场 效应晶体管的研究，衬底一般是经过高掺杂的单晶硅片，这样的单晶硅片身份是 作衬底兼作栅极，然后通过硅热氧化工艺使得高掺杂的硅片上生长出一层s i 0 2 绝缘层，该绝缘层薄膜的电学参数和物理参数非常理想，再通过光刻工艺在其上 面制备源漏电极，最后再淀积制备有机半导体层。当然也可以先制备出有机半导 体层，再构筑源漏电极。 这种结构的优势是和传统硅工艺技术相融性好，容易获得高质量的衬底和理 想的绝缘层，使得器件的制备工艺大为简化，便于制作有机与无机复合的器件。 这种器件结构可以最后淀积有机半导体层，避免了该层受其他工作层的破坏，具 有较理想的结构优势，通常被应用于有机半导体材料的电学特性和迁移率提高层 北京交通大学硕士学位论文绪论 面的研究中。这种结构的劣势在于源漏电极的构筑不再简单，而且沟道长度的设 计制备受到有机半导体材料和表面的干扰。另外通常情况下，有机半导体对周围 环境，尤其是水和氧气比较敏感，而这种结构的半导体层被包裹情况不好，所以 器件在空气中放置一段时间后性能相对退化更严重。 1 2 3 顶接触结构 项接触与底接触结构的分类基于有机半导体层与器件源漏电极的接触上下次 序不同。顶接触结构如图1 1 a 、c 所示，顶接触结构是在衬底上待有机半导体层 沉积出后，再制备源漏电极，这样，电极的底部与有机半导体层接触，电极位于 有机半导体层的顶部，此结构由于有机半导体层受栅极电场作用的面积较大，因 此产生较高的载流子迁移率及较大的源漏电流。这种结构还可以通过对绝缘层的 修饰来改变沉积到其上的有机半导体层的结构和形貌，进而有利于提高器件载流 子迁移率。 1 2 4 底接触结构 底接触器件结构如图1 1 b 、d 所示，底接触构筑方式是在制备好绝缘层和源 漏电极后，在预设的沟道位置上方沉积有机半导体层，如此，源漏电极位于有机 半导体层下面，有机层的底部可以与源漏电极接触，导电沟道形成于有机层的底 部。这种结构的优势在于，金属电极在有机半导体薄膜之前制备，所以可以采用 传统成熟的光刻工艺实现源漏电极，同时又不会影响有机半导体薄膜的性能，而 且，有机层处于最外层，这样就便于制造化学传感器或气体传感器等。 以上介绍的四种结构是目前o t f t 的最基本结构，在实际制作器件时，根据 各种半导体薄膜的相应特点及选用合适绝缘层、栅电极、和源漏电极材料的不同， 可以采用以上四种结构相互结合的器件结构。我们在研究中，通常采用如图1 1 所示的四种由基本结构演生出的典型器件结构。其中图1 1 a 为底栅顶接触结构， 图1 1 b 为底栅底接触结构，图1 1 c 为顶栅顶接触结构，图1 1 d 为顶栅底接触结 构。我们应该根据具体需要和材料、工艺的不同，在这四种结构中灵活地选用。 4 北京交通大学硕士学位论文 绪论 瀚缀溪缀 铭张缓 篼撩屡 ii 树斌 a 臌德臃摄触绐善句 i1 1 绝缘瑗 丽1 r 锯滁缨 衬赢 槠撖 粳 缀 锈灏燃 沿缀 ii 凝援 li 绝缘屡 一一7 衬绒 b 巍壤蠛缓触结构 已瑗撩瑷接激结构 覆顶糖底接触结褥 1 2 5 双栅结构 图1 1 有机薄膜晶体管的结构 f i g1 1 b a s i cs t r u c t u r e so fo t f r s 除了顶栅顶底电极和底栅顶底电极结构，也有研究人员设计出双栅结构。 具体结构图如下： 图1 2 双栅结构 f i g1 2s t r u c t u r eo fd o u b l e g a t ed e v i c e s 这种结构的器件是基于传统的底栅底接触结构上，再在有源层之上制备出一 层绝缘层和一个顶栅极。如此，器件就具有了上下相对的两个栅电极，从而增强 5 北京交通大学硕士学位论文 绪论 了对导电沟道的控制。这种构筑结构优点是：可以在较低的工作控制电压下获得 较大的输出电流，这样，与单栅级有机薄膜晶体管器件相比，场效应迁移率乃至 电流开关比都会更高。 1 2 6 垂直结构 以上介绍的几种结构都是属于水平器件结构，由于制作工艺方面的限制使得 沟道长度很难缩短，而受到沟道长度的限制，器件的开启电压较大、工作电流也 很难增大。考虑对器件结构进行优化从而提高器件性能，相关学者己开始研究垂 直结构既叠层结构有机薄膜晶体管，其沟道长度就是有机半导体的厚度，使得器 件的阈值电压小于5 v 、工作电流也可达到毫安量级。在改善了器件工作特性的同 时，由于沟道长度的减小也为小面积集成电路打下了宝贵的基础。由于其具备的 这种独特优势，引起了人们的普遍关注。叠层结构晶体管是以减小沟道长度为目 的的新型晶体管结构，它是以半导体层作为沟道，大大降低开启电压，并提高了 工作电流，通过栅压的变化来控制源漏电流的变化，其结构如图1 3 ，这种结构的 主要特点是，沟道长度由微米量级降至纳米量级，极大提高了晶体管器件的工作 电流，并降低了器件的阈值电压，当然这类晶体管也有不足之处，栅源漏处在 同一竖直面，彼此间会有寄生电容存在，不适合在高频下工作，零点电流发生一 定的漂移，不过一般可以通过放电处理来避免这种现象的出现。 图1 3 叠层结构有机薄膜晶体管的截面图 f i g 1 3c r o s s s e c t i o nv i e wo fo t f rw i t hl a m i n a t e ds t r u c t u r e 1 3 有机薄膜晶体管材料 有机薄膜晶体管的材料按所处位置及各自功能分通常包含如下几种：有机半 导体材料、绝缘材料、界面修饰材料、电极材料和衬底材料。 6 北京交通大学硕士学位论文绪论 1 3 1 有机半导体材料 按照材料本身传输载流子种类的能力不同，半导体材料被分为n 型半导体材 料及p 型半导体材料。所谓n 型半导体材料是指那些传输电子能力比传输空穴的 能力强的有机半导体材料，而p 型半导体材料则是传输空穴的能力更强。实际上 对于一种材料，内部既存在空穴载流子，也存在电子载流子，只是有多子和少子 之分而己，起主要传输作用的多子是空穴，对应的材料就被定义为p 型材料；反 之，如果多子为电子，对应的材料就被定义为n 型材料。用于有机薄膜晶体管的 n 型半导体材料种类稀少，这是因为这种材料会对空气中氧气、水很敏感，使器 件性能的稳定性较差，更何况多数n 型有机半导体材料迁移率较低。目前常用的 n 型有机半导体基本上是小分子材料，其中性能较好有c 6 0 ，载流子迁移率能达 到6 c m 2 n s ，但较稳定的n 型有机半导体材料大多数集中于金属酞氰类化合物上。 而其中全氟代铜酞氰性能最好，用其作为有源层制成的器件，载流子场效应迁移 率达到o 0 3 c r n 2 v s ，暴露于空气中数月后器件仍表现出较高载流子迁移率。 事实上p 型材料相比n 型材料有更好的稳定性和更高的载流子迁移率，科研 人员对p 类有机半导体材料的研究也相对较多。目前主要研究的有三类，第一类 为高分子的聚合物，主要包括聚曝吩( p o l y t h i o p h e n e ，p t ) 、聚毗咯( p o l y p y r r o l e ，p p ) 、 聚2 ， 5 咪吩乙炔( p o l y ( 2 ，5 t h i e n y l e n e v i n y l e n e ) ，p m 、聚苯酚 o o l y ( p ，p - b i p h e n 0 1 ) ，p b p ) 等。图1 4 所示为部分高分子聚合物有机半导体材料分子 结构式。 七产 娃 聚乙炔聚3 嫔基噻吩 聚噻吩乙炔 图1 4 部分高分子有机半导体材料分子结构式 f i g1 4t h ep o l y m e rm o l e c u l a rs t r u c t u r eo fp a r to 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 l s 高分子聚合物的优势在于可使用l b 膜、涂膜甩膜等方法制备。这些制备方 法优点是工艺非常简单，成本相对低廉，缺点是有机聚合物材料难于提纯而且有 序成度较低，由此高分子材料迁移率较低不难理解。总的来说，由于高分子聚合 物本身的特点，它在有机薄膜晶体管中的应用受到不小的限制。 第二类是低聚物材料，主要有四聚曝吩( 4 t ) 、五聚噬吩( s t ) 、六聚唾吩( 6 t ) 、 7 北京交通大学硕士学位论文 绪论 八聚曝吩( 8 t ) 及各自的正烷基取代衍生物。类似小分子材料，它们也比较容易提 纯，溶解性良好。目前主要是采用真空蒸镀成膜方法，但是成膜的机械性能不很 理想。但是相比高分子聚合物，它用于o t f t 时还是有很多优点，例如通过调整 分子结构和长度来控制其载流子的传输能力，还能通过修饰分子来改善分子的链 接形式，例如齐聚噬吩的各种烷基取代可以形成各自不同的结构。因此，低聚物 材料目前来看在有机薄膜晶体管中前景较好，被广泛的应用。 第三类是小分子材料，这类有机材料的特点是：分子对称性和刚性良好，容 易提纯，具有很好的溶解性，成膜方法也比较多，载流子迁移率相对较高。目前 o t f t 中性能最优良、使用最广泛的材料是并五苯，分子结构式如图1 5 所示， 它是由五个苯环依次并联而成，具有一个对称中心、三个对称面及三个二重对称 轴，其属于d 2 h 点群。 图1 5 并五苯晶体分子结构式 f i g1 5m o l e c u l a rc r y s t a ls t r u c t u r eo fp e n t a c e n e 采用分子束沉积方法在高真空下制备的基于并五苯的薄膜晶体管，报道中室 温下其迁移率最高可以达5 c m 2 v s 。但与高分子聚合物材料相比，并五苯难溶， 无法采用旋涂法制备，只能用真空蒸镀沉积，无形中增加了工艺成本等。 1 3 2 绝缘材料 绝缘材料对o t f t 性能影响很大，选用不同参数的绝缘材料就可能得到不同 的载流子迁移率大小。绝缘材料的一个最基本参数要求是较高的介电常数，一方 面有利于感应出更大的沟道载流子浓度，另一方面还可提高载流子迁移率，综合 起来都可大幅降低器件的阈值电压。另外一个要求是较好的绝缘层膜质量，及具 有尽可能少的缺陷和陷阱，人们除了要获得有机薄膜晶体管优越静态电学性能外， 其性能稳定性也是人们追求的目标之一。而有机薄膜晶体管的不稳定性主要以 o t f t 器件的阈值电压漂移( v t ) 作为主要特征。而以阈值电压漂移为特征的器 件性能不稳定性是由电荷被陷阱捕获引起的，俘获载流子后绝缘层形成空间电荷 区导致栅电场屏蔽效