高稳定性、低电压有机薄膜晶体管研究

【摘要】有机薄膜晶体管作为集成电路的一个基本单元，在电子领域有着非常广泛的应用前景。近几年来，有机薄膜晶体管引起了人们极大的研究兴趣并在各个方向取得了明显的研究成果：包括射频识别标签、平板显示、生物传感等。很多高性能有机半导体材料得到合成，载流子迁移率可以与非晶硅相媲美，这使得有机薄膜晶体管的广泛应用更加成为可能。但是，在有机薄膜晶体管领域取得重大研究进展的同时，我们仍然面临着很多挑战。其中的一个挑战就是有机薄膜晶体管的工作电压问题，一般情况下为了得到比较理想的工作电流，器件往往需要一个很高的工作电压。高工作电压不仅消耗很多的能源而且限制了有机薄膜晶体管的应用，包括一次性传感器，可携带式平板电脑柔性显示，射频识别标签等等。有机薄膜晶体管的工作不稳定性是其当前面临的另外一个挑战。研究表明，在半导体内部、半导体层与绝缘层的界面处以及绝缘层内部存在着大量缺陷，这对有机薄膜晶体管的实际应用带来了很大的困难。在这篇论文中我们利用溶液法制备的氧化铝作为绝缘层成功制备了低电压的N型和P型有机薄膜晶体管，基于N型和P型的低电压器件我们制备了低电压的反相器。我们的低电压器件不仅在硅衬底上面实现了成功制备，我们也成功制备了低电压柔性器件。实验中利用探针台和半导体特性分析系统对器件进行测试与分析，利用原子力显微镜、X射线衍射仪以及X射线光电子能谱仪对有机半导体薄膜以及氧化铝薄膜进行了表征。我们用此方法制备的低电压薄膜晶体管和反相器都具有很高的性能，我们选择的P型材料是pentacene，器件中载流子迁移率高达2.6cm2v-1s-1，N型材料是PTCDI-C13H27，迁移率也达到了0.13cm2v-1s-1。阈值电压是有机薄膜晶体管的一个非常重要的参数，对阈值电压的物理意义有个很好的理解对于研究有机薄膜晶体管的工作稳定性具有很大的帮助。我们研究了基于并五苯薄膜晶体管的阈值电压随着温度的变化，在这个研究中我们得知阈值电压与温度之间有着分段式线性关系。在200-210K温度范围内出现了一个拐点，我们研究发现拐点的出现与器件中受束缚水分子的过冷现象有关，在该温度附近过冷水发生相变。基于我们对阈值电压与温度变化关系的理解，我们认为半导体和绝缘体的界面处的性质与器件的性能以及工作的稳定性有着很大的关系。我们接下来研究了界面修饰与未修饰的C60器件，以及用氧化铝作为绝缘层的低电压器件的工作稳定性。用DIP修饰的C60器件迁移率高达3cm2v-1s-1，远大于未修饰的C60器件，氧化铝低电压器件的工作稳定性也远远超过常规的二氧化硅器件。研究表明半导体与绝缘体的界面性质对器件的迁移率以及工作稳定性都有着很大的影响。该论文的研究工作对制备低电压有机薄膜晶体管以及优化器件性能具有一定的指导意义，有利于对阈值电压的物理意义的理解以及对器件工作不稳定性机制的理解，同时对有机薄膜晶体管载流子迁移率和工作稳定性的研究为实际应用提供了重要信息。
【作者】孙启军；
【导师】王穗东；
【作者基本信息】苏州大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】高性能；低电压；有机薄膜晶体管；偏压力效应；工作稳定性；

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