柔性有机小分子薄膜场效应晶管的制备与电学性能研究

发布时间：2020-08-01 08:20

【摘要】：薄膜场效应晶体管(TFT)是各种集成电路中最基本的元器件。相比于传统TFT,柔性TFT器件以其廉价、质量轻、可弯曲、功耗低、能大面积生产等优点成为研究的热点。经过近几年的努力,柔性TFT的性能已经得到了显著提升,且在柔性显示、电子打印、传感器、大规模集成电路和数码通讯等领域有了长足的发展。然而柔性衬底粗糙度大,柔性器件制备工艺复杂,柔性TFT性能稳定性差等问题需要解决。本文通过旋涂工艺制备出平整度较高的柔性衬底,使用真空蒸发沉积和磁控溅射沉积镀膜工艺,在柔性衬底上制备出柔性TFT器件。主要研究了柔性衬底制备工艺,介电层和退火对器件电学性能的影响。主要内容如下:首先,为了解决柔性衬底粗糙度大的问题,制备出粗糙度小的柔性衬底材料。采用聚酰亚胺(polyimide,PI)溶液为原料,用旋涂的工艺,在玻璃上制备出与柔性器件兼容的聚二甲基硅氧烷(PDMS)缓冲层,在缓冲层上旋涂聚酰亚胺溶液,经过退火处理,制备出了柔性聚酰亚胺衬底。研究了旋涂速率与聚酰亚胺薄膜厚度的关系,确定较佳旋涂速率为3000r/min,厚度为5.4um,并对衬底的断面形貌和表面粗糙度进行了表征,粗糙度(RMS)为 0.5nm。其次,利用真空蒸发沉积镀膜工艺制备出型柔性Dinaphtho[2,3-b:2',3'-f]thieno[3,2-b]thiophene(DNTT)小分子TFT器件。通过对比氧化铝介电层与氧化铝和磷酸碳十四烷分子自组装单层膜(SAM)复合介电层的粗糙度以及对柔性器件的性能影响,证明复合介电层有更小的粗糙度,且对柔性器件性能有一定的提升。通过增加氧化铝的厚度,研究了不同介电层厚度对器件的性能影响,确定较厚的复合介电层能有效改善器件性能。研究了柔性有机场效应晶体管(OFET)退火后的性能变化,通过将柔性器件在N2中退火处理,确定了较佳退火温度为70℃左右,器件迁移率达到0.99cm2V-1s-1。最后,为了制备高性能的柔性有机-无极异质结TFT器件,我们用磁控溅射沉积镀膜工艺,在常温下制备了柔性铟镓锌氧化物(α-IGZO)薄膜晶体管,然后将α-IGZO与有机小分子结合,采用垂直结构,不进行任何界面修饰,将DNTT小分子直接蒸镀在α-IGZO薄膜上,制备了垂直结构的高性能柔性有机-无极异质结TFT。器件电子与空穴的迁移率分别为3.50 cm2V-1S-1和0.36 cm2V-1s-1。对沉积的α-IGZO表面的形貌进行了表征,测试了柔性α-IGZO/DNTT异质结器件在电子增强和空穴增强模式下载流子的输运特性,并解释了其载流子输运机理。
【学位授予单位】：湖北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386
【图文】：

在源极和漏极两端加一定的电压，感应电荷就会流动起来，大大降低了半导体沟道的电逡逑阻，使器件正常工作。逡逑如图１．２所示器件结构图（有源层材料为ｐ型）。当源极和栅极两端施加负压ＶＣＳ时，逡逑空穴由源极向半导体中注入，在绝缘层－有源层界面会出现感应电荷。随着Ｖｏｓ数值的增逡逑２逡逑

面附近电子的浓度时，有源层内形成导电沟道。此时栅极相应的电压即阈值电压，符号逡逑ＶＴ。当栅压ＶＣＳ＞ＶＴ时，沟道中的载流子均匀分布。当源漏间的电压ＶＤＳ？ＶＣＳ－ＶＴ时，逡逑电荷密度呈现出图１．２邋（ａ）所示分布，由源极到漏极线性减小，此时漏极的电流ＩＤＳ与逡逑ＶＤＳ正相关，该区域被称为晶体管的线性区。当源漏电压正大到ＶＤＳ＝ＶＧ－ＶＴ时，ＶＧＳ二０，逡逑栅漏两端的电势相等，半导体层被诱导出的感应电荷为零，漏极区域出现耗尽区，电荷逡逑密度分布如图１．２邋（ｂ）所示。当ＶＵＳ＞ＶＣＳ－ＶＴ时夹断点向源极移动，漏极电流达到饱和，逡逑该区域被称为饱和区。如图丨．２邋（ｃ）所示场效应晶体管的工作示意图。逡逑鲽？逦？逡逑ｍｍ＂＂＂＿逦／逡逑榦逦Ｉｄ逦／逡逑；？极逦／邋ＶＤＳ？ＶＧＳ－ＶＴ逡逑Ｈ藏逦／逡逑？逦ｒ、逦Ｖｄ逡逑（ａ）逡逑典树逦ｌｕｍ邋？逡逑Ｉｄ逦／逡逑／邋ＶＤＳ＝ＶＧＳ－ＶＴ逡逑ＨＫ逦／逡逑？逦Ｖｄ逡逑（ｂ）逡逑ｉ邋＿邋？极逦ＩＭｔＨ逦？逡逑，＿＿＿＿Ｉ逡逑＃＊？逦｜0邋厂逡逑岕逦／邋ｖＤＳ＞ｖＧ－ｖＴ逡逑Ｗｔｔ逦／逡逑？逦Ｖｄ逡逑（ｃ）逡逑图１．２Ｖｔ；ｓ—定时，不同工作状态下］ＤＳ与ＶＤＳ的关系曲线。逡逑（ａ）为线性区，（ｂ）为沟道夹断点，（ｃ）为１％饱和区逡逑３逡逑

近年来随着人们对高性能半导体材料的追求，越来越多的新材料被开发出来，逡逑从氧化锌到铟镓锌氧化物，从并五苯到纳米碳管。随着半导材料的性能与稳定性的，半逡逑导体器件的变化也日新月异。如图１．３所示一些常见的有机半导体分子结构图。逡逑＼邋＃逡逑并五苯逦Ｃ６0逡逑ｃｏｐｃｏ逦务逡逑ＤＮＴＴ逦Ｃｇ－ＢＴＢＴ逡逑图１．３常见有机半导体的分子结构图逡逑１．７柔性薄膜晶体管相关应用逡逑柔性薄膜晶体管器件以其廉价、质量轻、可弯曲、功耗低、能大面积生产等优点成逡逑为研宄的热点。经过近几年的努力，柔性晶体管器件的性能己经得到了显著提升。而且逡逑其在柔性显示，电子打印，传感器，大规模集电路有着极大的潜力柔性０ＦＥＴ的成本，逡逑加工温度低，质量轻，具有柔性可穿戴等特点。目前己经被广泛的应用在柔性显示器，逡逑柔性传感器等领域中。逡逑６逡逑

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本文编号：2777209