薄膜晶体管的功能层修饰与性能关系的研究

发布时间：2017-12-31 01:12

  本文关键词：薄膜晶体管的功能层修饰与性能关系的研究　出处：《电子科技大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：近年来,经济的发展和科学技术的进步使得人们的工作和生活早已和各种半导体电子设备相辅相成,息息相关。其中,薄膜晶体管(thin-film transistor,TFT)作为微型处理器、存储卡、手机芯片、主动矩阵显示器件以及其他多种电子产品的主要功能部件及组成部分,是当今半导体科技中最重要的器件之一。为了替代传统的硅基半导体和其他的III-V族系列半导体,进一步实现更高性能、低成本、大面积柔性化和透明化的基于TFT的半导体设备,各种新型半导体材料成为了当前新的研究方向。一方面,有机半导体材料以其种类多样、方便合成、易于功能化和制备温度低等特点,在柔性电路、传感器和智能标签等方面有着巨大的应用潜力。然而有机半导体普遍存在着稳定性差,迁移率较低的缺点。另一方面,金属氧化物作为一种在可见光区域具有高透明性的半导体或导体,即使在非晶状态也能保持相对高的迁移率和良好的稳定性,能与柔性基板兼容,是制备全透明可弯折的下一代电子设备的必要组成部分。在平板显示行业,采用金属氧化物TFT驱动的显示器已经商用化,目前高性能的金属氧化物薄膜普遍采用真空或化学沉积方法制备,如磁控溅射、脉冲激光沉积和原子层沉积等。但是以上的沉积方法不易于制备大面积均匀的金属氧化物薄膜,且真空设备相对昂贵,耗能高,大幅增加了制备成本。为了有效弥补有机半导体和金属氧化物半导体的以上缺点,本论文的主要工作在于利用多种功能层修饰方法,实现TFT器件性能的提升,包括采用介电层改性和界面修饰制备高性能有机TFT(organic TFT,OTFT)及其功能性器件,并创新性地采用功能性聚合物掺杂金属氧化物,制备高性能氧化物晶体管。本文具体研究包括如下三个部分:1.研究了功能介电层及介电层表面修饰方法对OTFT性能的影响。在介电层和酞菁铜之间引入超薄的并五苯修饰层,提升了酞菁铜的结晶性,制备了高性能的酞菁铜OTFT,并将空穴载流子迁移率从0.27×10-2 cm2/Vs提升到了0.20 cm2/Vs;采用聚甲基丙烯酸甲酯和聚乙烯醇组成的聚合物复合介电层,探讨了滞回现象与介电层的关系,并在基于并五苯的OTFT中实现了0~10 V的可控滞回调节;引入可控的紫外臭氧处理的聚苯乙烯介电层,实现了对OTFT器件阈值电压的有效调控,并依此实现了高性能单极反相器。2.研究了聚乙烯亚胺(PEI)掺杂对金属氧化物TFT的性能影响。PEI掺杂不仅仅能够阻碍薄膜的结晶,形成非晶结构,而更为重要的是,基于不同浓度的PEI掺杂,能实现对氧化物薄膜的电子掺杂和电子散射作用。在合适的PEI掺杂浓度下,PEI的电子掺杂作用结合电子陷阱作用以及薄膜微结构的改变,能够在基于氧化铟的TFT当中实现高达9 cm2/Vs的电子迁移率,107的开关比以及极低的-3.9~2 V的阈值电压;而在未掺杂的氧化铟中,仅得到了4 cm2/Vs的电子迁移率。进一步的,PEI这一独特的作用也拓展到了更加复杂的金属氧化物体系中,如氧化铟锌,氧化铟镓以及氧化铟镓锌等。3.研究了功能介电层及其表面修饰对基于OTFT的气体传感器性能的影响。通过引入具有不同官能团的聚合物,包括聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯以及聚乙烯基苯酚,探讨了介电层表面官能团对基于OTFT的氨气传感器的影响,并实现了具有良好回复特性及低至1 ppm探测极限的氨气传感器;采用紫外臭氧处理实现聚苯乙烯介电层的功能化,在介电层表面引入了含氧的官能团,实现了具有超高灵敏度的基于酞菁铜的OTFT二氧化氮传感器。综上所述,本工作针对基于有机和氧化物半导体TFT载流子迁移率偏低、稳定性较差、制备成本高等问题,利用多种功能层修饰TFT的方法,得到了高性能的TFT,为其在光电子领域的广泛应用打下了坚实的基础。
[Abstract]:A thin - film transistor ( TFT ) is used as a semiconductor or conductor with high transparency in the visible region . A polymer composite dielectric layer composed of polymethyl methacrylate and polyvinyl alcohol was used to study the relationship between hysteresis and dielectric layer .

【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN321.5
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本文编号：1357396