有机薄膜晶体管(OTFT)的研究进展

有机薄膜晶体管(organic thin film transistor,OTFT)具有工艺简单、成本低及柔韧性良好等优点,成为下一代显示技术的研究焦点.本文综述了有机薄膜晶体管的研究现状和未来的发展趋势,比较了采用不同材料的OTFT器件的性能,总结了影响OTFT性能的两大主要因素,即栅极绝缘层与有机有源层之间的界面特性和有机有源层与源/漏电极之间欧姆接触电阻的大小,并详细综述了改善OTFT性能的最新方法和研究成果.     

发展容易集成加工的高功能有机薄膜晶体管

描述了近10年来开发容易集成加工的高功能有机薄膜晶体管方面所取得的成就。针对有机薄膜晶体管存在金属、氧化物和有机物三相交汇点这个明显的结构缺陷,以克服高介电绝缘栅漏电问题为基础,综合考虑器件加工的方便性与一致性、界面态和空间电场分布等因素,设计并优化出双绝缘栅和夹心型器件结构。通过引入缓冲层有效地降低了电极与半导体之间的接触电阻,使器件的性能能够满足有源矩阵显示的需要。     

浸渍提拉法制备有机介质层铝铟锌氧薄膜晶体管

利用溶液法的浸渍提拉工艺制备了以有机聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为介质层、非晶铝铟锌氧化物(a-AIZO)为沟道层的顶栅共面结构薄膜晶体管(TFT),研究了沟道层退火温度对TFT性能的影响机理。结果表明:较低退火温度(如300和350℃)下处理的沟道层中存在未彻底分解的金属氢氧化物,其以缺陷态形式存在于TFT沟道层内或沟道层/介质层界面处,对导电沟道中电子进行捕获或散射,劣化TFT的迁移率、电流开关比以及亚阈值摆幅。综合来看,退火温度高于400℃下制备的a-AIZO适用于TFT器件的沟道层,相应的器件呈现出较高的迁移率(大于20cm2/(V·s))、较低的亚阈值摆幅(小于0.5V/decade)以及高于104的电流开关比。     

绝缘层/有源层界面修饰及对有机薄膜晶体管性能的影响

制备了具有修饰层的有机薄膜场效应晶体管,采用高掺杂Si作为栅极,传统的无机绝缘材料SiO2作为栅绝缘层,有机绝缘材料PMMA或OTS作为修饰层,CuPc作为有源层,Au作为源、漏极.测试结果表明,采用经过修饰的栅绝缘层SiO2/OTS和SiO2/PMMA的两种器件的开关电流比最高可达8×104,迁移率最高为1.22×10-3cm2/(V·s),而漏电流仅为10-10A,总体性能优于单层SiO2器件.     

绝缘层/有源层界面修饰及对有机薄膜晶体管性能的影响

制备了具有修饰层的有机薄膜场效应晶体管,采用高掺杂Si作为栅极,传统的无机绝缘材料SiO2作为栅绝缘层,有机绝缘材料PMMA或OTS作为修饰层,CuPc作为有源层,Au作为源、漏极.测试结果表明,采用经过修饰的栅绝缘层SiO2/OTS和SiO2/PMMA的两种器件的开关电流比最高可达8×104,迁移率最高为1.22×10-3cm2/(V·s),而漏电流仅为10-10A,总体性能优于单层SiO2器件.     

并五苯有机薄膜晶体管电学性能研究

制作了以并五苯为半导体有源层材料的有机薄膜晶体管。用热氧化的方法制备了一层230nm的二氧化硅栅绝缘层并用原子力显微镜(AFM)分析了表面形貌。研究了器件的电学性能,得到的并五苯有机薄膜晶体管器件载流子迁移率为8.9×10-3cm2/V.s,器件的阈值电压和开关电流比分别为-8.2V和1.0×104。     

有源层厚度对CuPc-OTFT器件性能的影响

研究了不同厚度有源层的顶电极CuPc-OTFT器件的电学特性。发现器件的性能与有源层厚度有依赖关系，其中，有源层厚度为20nm的器件性能最好。在有源层厚度大于20nm时，有源层厚度的增大不但分去一部分栅电压而且还增大了源、漏电极的接触电阻，从而不利于器件性能的提高。但当有源层厚度小于20nm以后器件的性能开始降低。我们认为当有源层厚度降低到一定程度时，有源层上表面的表面态会使有机材料的隙态浓度增加从而对沟道载流子迁移率产生不良影响以及使器件的阈值电压增大。     

制备方法对共混物有机薄膜晶体管性能的影响

文章采用旋涂和滴涂两种方法分别制备了聚3-己基噻吩（P3HT）和聚苯乙烯（PS）共混物的有机薄膜晶体管器件,并通过掠角X射线衍射,扫描电镜和原子力显微镜对薄膜结构进行了研究,结果表明使用旋涂方法时薄膜中的P3HT形成了纳米网络结构,P3HT分子采取了共轭平面垂直于硅片表面的排列方式,这种结构有利于载流子的传输,从而提高了旋涂方法得到的薄膜的场效应迁移率。     

喷墨印刷制备有机薄膜晶体管及其电路的研究进展

有机薄膜晶体管在大面积柔性显示、柔性电子存储等方面具有广阔的潜在应用前景。喷墨印刷技术由于具有工艺简单、成本低廉、微图形数字化、与柔性衬底兼容等优点而成为一种有效的制造有机电子器件工艺方法。文章综述了近年来基于喷墨印刷技术制备有机薄膜晶体管的研究进展,探讨了在制造过程中存在的问题。     

有机薄膜晶体管中亚阈值电流分散的模型分析

本文提出了一个等效电路模型以分析在有机薄膜晶体管中引起亚阈值电流漂移(也叫零电流点漂移)现象的原因. 该等效电路模型基于Start-HSPICE中的Level 61无定形硅薄膜晶体管器件模型. 仿真结果表明零电流点漂移的原因可以归结于两点: 接触电阻和栅电阻. 更进一步发现, 减小接触电阻和增大栅电阻可以有效抑制零电流点漂移现象. 如果接触电阻可以减到0, 则所有的零电流点交于原点, 此时没有漂移. 增大栅电阻对于抑制零电流点漂移和栅漏电也是有好处的. 当栅电阻分别为17 MΩ和276 MΩ时, 零电流点坐标值的方差分别为0.0057和接近于0.     

基于有机硅栅绝缘层的制备工艺对OTFT性能的影响

基于聚合物绝缘材料和半导体材料,采用溶液法旋涂工艺制作了有机薄膜晶体管(OTFT),通过尝试不同旋涂速度、表面预处理、退火温度等条件来优化聚合物绝缘材料的制备工艺参数,获得了良好的绝缘性的聚合物绝缘材料和器件特性。结果表明,绝缘层旋涂速度过快、表面用氧等离子体处理时间过长和退火温度过低都会降低有机栅极绝缘层(OGI)的绝缘性和OTFT的器件特性。采用硅氧烷材料作为聚合物栅极绝缘层,其溶液由硅氧烷单体和溶剂加丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)混合而成。OGI的旋涂速度为1 200r/min,退火温度为140℃,在旋涂有机半导体材料之前,需在退火之后的硅氧烷表面进行短暂的氧离子灰化反应。得到的有机薄膜晶体管迁移率约为0.4cm2·V-1·s-1,亚阈值摆幅降至约1.2V/dec,开关比大于104,并且当外加电场为1MV/cm时,漏电流密度低于1.4×10-6 A/cm2(Vds=-40V)。     

易于集成的有机薄膜场效应晶体管的制备

用有机半导体并五苯作为有源层,聚四氟乙烯作为绝缘层,采用全蒸镀方式在真空室一次性制备了正装结构的有机薄膜场效应晶体管(OTFT)。薄的有机绝缘层使得器件工作在低电压下,有机薄膜场效应晶体管易于与显示像素(有机发光二极管(OLED))集成在同一个透明的刚性或者柔性衬底上。研究了有机薄膜场效应晶体管的源漏接触电阻和沟道电阻对器件性能的影响,结果表明接触电阻是影响器件性能的主要因素。在透明的玻璃衬底上实现了有机薄膜场效应晶体管对同一衬底上100μm×200μm红色有机发光二极管的驱动。     

溶液法制程对有机薄膜晶体管性能影响的研究

基于新型的聚合物绝缘材料和半导体材料,采用溶液法旋涂工艺制作有机薄膜晶体管,通过优化聚合物半导体材料的溶剂、旋涂速度、退火温度等条件,提高有机薄膜晶体管的器件性能。结果表明,不同溶剂溶解半导体对制成的有机薄膜晶体管的迁移率影响明显;半导体层旋涂速度过慢和退火温度过低都会降低有机薄膜晶体管的性能。当采用1,2,4-三氯苯(TCB)作为半导体溶剂,旋涂速度为3 000r/min,后烘温度为190℃时,有机薄膜晶体管的迁移率可以达到约0.5cm2·V-1·s-1,亚阈值摆幅降至约0.6V/dec,开关比大于106。     

Performance of Organic Thin-Film Transistors Controlled by Electrode and Device Structures

We have fabricated organic thin-film transistors (OTFTs) of top contact (TC) structures using silver electrode based on triethylsilylethynyl anthradithiophene (TES-ADT) with mobility above 0.41 ${hbox{cm}}^{2}{hbox{s}}^{-1}{hbox{V}}^{-1}$ , current modulation higher than ${hbox{5}}times {hbox{10}}^{7}$ and sub-threshold swing below 0.65 V/dec.. The electrical characteristics of OTFTs are not only corresponding to the work function of source and drain electrodes materials but also to the surface tension and deposition energy of them. The effects of work function and surface tension dominate the electrical characteristics in bottom contact (BC) device. On the other hand, TC device is affected by deposition energy dominantly.      

高性能有机薄膜晶体管(OTFT)制备及其导电机制

详细介绍了在SiO2和高kHfO2介质层上制备并五苯薄膜晶体管方面的研究,特别是利用原子力显微技术(AFM)和静电力显微技术(EFM)研究了并五苯分子初始生长模式,揭示了衬底形貌、表面化学性能(包括化学清洗和聚合物层修饰)对有机半导体成膜结构和薄膜场效应晶体管性能之间的关联,包括晶体管迁移率、开关比和阈值电压等;针对并五苯初始生长成核模式的差异,分析了不同岛(畴)间畴边界对载流子在有机薄膜内输运的影响,有助于理解有机半导体薄膜导电机理。通过优化和控制介电层和有机半导体薄膜层的界面化学性质,在SiO2介质层上成功制备出迁移率为1.0cm2/V.s、开关电流比达到106的OTFT器件;在高kHfO2介质层上获得的OTFT器件的工作电压在-5V以下,开关电流比达到105,载流子迁移率为0.6cm2/V.s;器件性能指标已经达到目前国际上文献报道的最好水平。     

Control of Ambipolar and Unipolar Transport in Organic Transistors by Selective Inkjet‐Printed Chemical Doping for High Performance Complementary Circuits

The selective tuning of the operational mode from ambipolar to unipolar transport in organic field‐effect transistors (OFETs) by printing molecular dopants is reported. The field‐effect mobility (μ_FET) and onset voltage (V_on) of both for electrons and holes in initially ambipolar methanofullerene [6,6]‐phenyl‐C61‐butyric acid methyl ester (PCBM) OFETs are precisely modulated by incorporating a small amount of cesium fluoride (CsF) n‐type dopant or tetrafluoro‐tetracyanoquinodimethane (F4‐TCNQ) p‐type dopant for n‐channel or p‐channel OFETs either by blending or inkjet printing of the dopant on the pre‐deposited semiconductor. Excess carriers introduced by the chemical doping compensate traps by shifting the Fermi level (E_F) toward respective transport energy levels and therefore increase the number of mobile charges electrostatically accumulated in channel at the same gate bias voltage. In particular, n‐doped OFETs with CsF show gate‐voltage independent Ohmic injection. Interestingly, n‐ or p‐doped OFETs show a lower sensitivity to gate‐bias stress and an improved ambient stability with respect to pristine devices. Finally, complementary inverters composed of n‐ and p‐type PCBM OFETs are demonstrated by selective doping of the pre‐deposited semiconductor via inkjet printing of the dopants.     

Impact of Materials versus Geometric Parameters on the Contact Resistance in Organic Thin‐Film Transistors

The contact resistance is known to severely hamper the performance of organic thin‐film transistors, especially when dealing with large injection barriers, high mobility organic semiconductors, or short channel lengths. Here, the relative significance of how it is affected by materials‐parameters (mobility and interfacial level‐offsets) and geometric factors (bottom‐contact vs top‐contact geometries) is assessed. This is done using drift‐diffusion‐based simulations on idealized device structures aiming at a characterization of the “intrinsic” situation in the absence of traps, differences in the film morphology, or metal‐atoms diffusing into the organic semiconductor. It is found that, in contrast to common wisdom, in such a situation the top‐contact devices do not always outperform the bottom‐contact ones. In fact, the observed ratio between the contact resistances of the two device structures changes by up to two orders of magnitude depending on the assumed materials parameters. The contact resistance is also shown to be strongly dependent on the hole mobility in the organic semiconductor and influenced by the chosen point of operation of the device.