不同柵介質(zhì)層并五苯薄膜晶體管的制備及性能研究.pdf

1、有機(jī)薄膜晶體管(organic thin film transistors，OTFTs)具有質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、低溫工藝、與柔性兼容等優(yōu)點(diǎn)，在近十年來(lái)得到了迅速的發(fā)展。OTFTs可以作為傳統(tǒng)硅晶體管的替代者，廣泛應(yīng)用在微電子和半導(dǎo)體行業(yè)。然而，與傳統(tǒng)的硅基晶體管相比，OTFTs還存在一些問(wèn)題，譬如:載流子遷移率較低，需要高驅(qū)動(dòng)電壓及器件的穩(wěn)定性比較差等。特別是高驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)增加器件的能耗，是限制OTFTs大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)重要因素。因此，應(yīng)用

2、于OTFTs的高性能柵介質(zhì)層是近年來(lái)的一個(gè)熱門研究方向。各種柵介質(zhì)層，包括氧化物、聚合物、有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合等，都得到了廣泛的研究。盡管各種柵介質(zhì)層的研究取得了很大的進(jìn)展，但是高性能柵介質(zhì)層及其大規(guī)模制備仍是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。本課題正是基于這樣的研究背景，通過(guò)簡(jiǎn)單的液相制備方法制備了多種柵介質(zhì)層，并研究了其相應(yīng)OTFTs的性能。
　　本課題首先探索了有機(jī)/無(wú)機(jī)雙柵介質(zhì)層的成膜工藝與OTFTs的器件性能的關(guān)系。有機(jī)介電材料選擇了聚甲基丙烯

3、酸甲酯(poly methyl meth acrylate，PMMA)和聚苯乙烯(poly styrene，PS)。結(jié)果表明，OTFTs的性能與有機(jī)層的種類及厚度有關(guān)。當(dāng)PMMA厚度從200nm降到40nm時(shí)，器件的載流子遷移率從0.06增加到0.11cm2/Vs，開(kāi)關(guān)比從103增加到104;當(dāng)PS厚度從60nm降到10nm時(shí)，器件的載流子遷移率從0.26增加到0.56cm2/Vs，開(kāi)關(guān)比從105增加到106。PMMA及PS分別作為有機(jī)

4、/SiO2雙柵介質(zhì)層的有機(jī)層時(shí)，OTFTs器件的性能差異與有機(jī)介電材料的極性有關(guān)，非極性的PS層更有利于器件載流子對(duì)的傳輸。雙層有機(jī)與無(wú)機(jī)柵介質(zhì)層復(fù)合可以在一定程度上提高器件的電學(xué)性能。例如，利用雙層PS作為復(fù)合柵介質(zhì)層的有機(jī)部分時(shí)，OTFTs器件的載流子遷移率達(dá)到0.71cm2/Vs，開(kāi)關(guān)比可達(dá)8.14×106。
　　隨后，本課題提出用單分子自組裝層(SAMs)修飾有機(jī)/無(wú)機(jī)雙柵介質(zhì)層，并比較了修飾前后OTFTs器件性能的變化。

5、HMDS修飾PS/SiO2柵介質(zhì)層結(jié)果表明:經(jīng)HMDS修飾后，HMDS自組裝單分子層為有機(jī)半導(dǎo)體分子的有序沉積提供了很好的平臺(tái)，有利于載流子在有機(jī)半導(dǎo)體層/柵介質(zhì)層界面處傳輸。特別地，利用HMDS/(10nmPS)/SiO2柵介質(zhì)層的OTFTs器件呈現(xiàn)出最優(yōu)異的電學(xué)性能，器件的載流子遷移率達(dá)到1.05cm2/Vs，是(10nmPS)/SiO2柵介質(zhì)層器件的兩倍，器件的開(kāi)關(guān)比也增大了一個(gè)數(shù)量級(jí)，從105-106增加到了106-107。這些

6、OTFTs器件性能對(duì)比，展示了SAMs對(duì)OTFTs器件的顯著改善作用。
　　更重要的是，本實(shí)驗(yàn)發(fā)展了一種制備非晶復(fù)合氧化物薄膜的簡(jiǎn)便通用方法。以ZrTiOx作為典型例子，通過(guò)控制組分及退火溫度，溶液法獲得了介電常數(shù)為53，單位面積電容為467nF/cm2的ZrTiOx薄膜。使用PS與ZrTiOx薄膜復(fù)合，獲得漏電流為4×10-8A/cm2的復(fù)合介電薄膜。利用PS/ZrTiOx復(fù)合介電層制備了OTFTs器件。OTFTs器件的載流子遷