聚氨酯型有机薄膜晶体管绝缘层材料的设计、制备以及应用研究

发布时间：2020-06-23 19:08

【摘要】：有机薄膜晶体管(Organic Thin-Film Transistors,OTFTs)是以有机小分子或者聚合物为半导体材料,获得的器件具有逻辑开关场效应特性的晶体管器件。由于其材料来源广泛、制作工艺简单、可满足低成本大面积柔性化等诸多实际需求,使得其在电子纸以及有源矩阵显示器的背板电路等诸多方面都有着巨大的潜在应用价值。自1986年首个薄膜晶体管诞生以来,大量的实验研究投入其中,经过研究人员几十年的努力,无论是器件结构的改良还是器件材料的优化都取得了很大的进展。目前,良好的有机薄膜晶体管器件性能早已超越单晶硅的水平,在学术以及商用价值上都吸引了广泛地关注。绝缘层作为有机薄膜晶体管的重要组成部分,不仅影响着器件整体阈值电压的高低,其界面的性质以及内在的有机结构仍会进一步影响到有机半导体层材料的情况,进而影响器件迁移率等各项性能。因此,开发出新型且性能优异的绝缘层材料已经成为如今的研究重点。在本论文的第一章,我们简要地回顾了有机薄膜晶体管的发展历史以及应用情况,介绍了有机薄膜晶体管的基本结构以及工作原理,阐述了有机薄膜晶体管的评价参数以及工作曲线,概括了有机薄膜晶体管半导体材料以及绝缘层材料的种类与发展。在本论文的第二章,为了探究绝缘层材料的内部结构对半导体结晶情况的影响,我们设计并合成了含有双键结构的单体以及含有苯环与氰基结构的单体。将它们与对苯二甲酸羟乙酯和二环己基甲烷-4,4~’-二异氰酸酯进行聚氨酯聚合获得绝缘层材料。制得的聚氨酯绝缘层薄膜拥有良好的热力学稳定性,其薄膜表面十分平滑,无针孔结构,且具有良好的感光性能。在聚氨酯绝缘层薄膜表面气相沉积的六联苯半导体分子的晶区尺寸随着聚合物苯环含量的增加而不断变小,晶粒数目不断增加,证明了可以通过改变聚合物绝缘层官能团从而调控半导体材料结晶情况。而且以其制备的MIM器件,其介电常数达到了7.3。在本论文的第三章,为了更加优化器件阈值电压,我们设计并合成了含有氰基与联苯结构的单体,然后将其进行聚氨酯聚合,获得了三种不同单体比例的绝缘层材料,这些材料可以通过紫外曝光使其结构内的双键结构固化形成交联网络。其薄膜表面形貌相似,都十分平滑,无针孔,且聚合物薄膜表面均为疏水联苯结构,可以与半导体分子具有更好的相容性。以这三种含有氰基与联苯结构的聚氨酯聚合物绝缘层材料制备的p-6P/VOPc型有机薄膜晶体管具有较好的性能,而且随着聚氨酯聚合物中联苯含量的增加,器件阈值电压越来越低,最佳优化阈值电压为-0.5 V。在本论文的第四章,为探究绝缘层材料主链与侧链的差异性对OTFT器件性能的影响,我们设计并合成了三种不同单体比例的主链联苯型聚氨酯绝缘层材料,这些聚氨酯聚合物绝缘层材料可以通过旋涂制备成膜,制得的聚氨酯绝缘层薄膜拥有良好的热力学性能。以这三种主链联苯结构的聚氨酯聚合物绝缘层材料制备的p-6P/VOPc型有机薄膜晶体管具有更加优化的性能,通过主链联苯型材料与侧链联苯材料的对比,我们发现主链型联苯聚氨酯材料制得的器件阈值电压偏高,这可能是由于在主链中引入联苯基团后,材料整体对称性加强,出现的链段翻转与曲折会包埋所产生的偶极子。但是器件整体的性能还是较为优异,可以看到随着我们聚氨酯材料中联苯含量的增加,器件阈值电压在逐渐降低,最佳优化阈值电压为-5.5 V,这一结果明显低于大多商用聚合物材料。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ317;TN325
【图文】：

领域,微电子产品,数字识别,功能材料

自 1998 年飞利浦实验室以有机晶体管制成可商用的数字识别器以来，在射频别领域，OTFT 器件也显示出了很高的应用价值[35]。经过多年的发展，如图 1所示，对于 OTFT 的应用已经深入到微电子产品、智能卡、生物传感器和功能材料等诸多领域[36, 37]。

接触型,器件,有机薄膜晶体管,栅顶

吉林大学硕士学位论文构。由于底栅型器件对于稳定性较差的半导体层材料的要求远远低于顶栅型器件而且顶栅型器件对于绝缘层的加工工艺较为苛刻，在器件的制作过程中对于半导体层生长形貌会有一定影响，大大降低了器件的性能，因此底栅型器件往往更多应用于实际生产当中。另一方面，底接触电极模式（BC）是先制备源/漏电极然后再在电极上沉积半导体层，虽然这种结构在工艺上对于有机材料的影响更低但是受到电极边界占位的影响，半导体层表面形貌会因此更加粗糙，结晶排列有序度会大大降低，会有更多缺陷造成器件性能降低[38-40]，而顶接触电极模式（TC就很好地避开了这个问题，半导体层形貌不会受电极存在的影响，对于载流子的迁移不会产生任何影响，器件性能往往优于 BC 型器件。因此，本文对底栅顶接触型有机薄膜晶体管进行研究。

【参考文献】