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又弯又软的OTFT!背后技术故事知多少

  近年来,对有机薄膜晶体管(organic thin f¨mtransistorOTFT)器件的研究和应用取得了长足的进展,作为下一代新的显示技术备受人们的关注。

  与无机薄膜晶体管相比,OTFT具有更多的优点:首先现在有更多更新的制作有机薄膜的技术,如LangmuirBlodgett(LB)技术、分子自组装技术、真空蒸镀、喷墨打印等:其次在制作有机薄膜的过程中,对气体的条件和纯度的要求比较低,从而简化了制作工艺,降低了生产成本。

  同时,使用有机材料不但可以制作尺寸更小的器件,而且还可以通过适当地修饰有机分子结构来改善OTFT器件的性能。

  除此之外,OTFT器件还具有很好的柔韧性,携带起来更加方便。有研究表明,对“全有机“晶体管(全部用有机材料制成的晶体管)进行适度地扭曲或弯曲,并不会明显地改变器件的电学特性,这种优良的特性进一步拓宽了OTFT的使用范围。随着对OTFT研究的深入,发现目前仍然存在许多缺点和问题。

  如现有的关于半导体能带理论是建立在无机材料的基础上,对OTFT中一些现象无法给出合理的解释;有机薄膜晶体管的开关速度不稳定,在晶体管的内部可能发生摆动,从而使各种信息滞后;大多数有机材料的迁移率都很低,与无机多晶和单晶材料的迁移率相比要小得多,因而其导电性并不尽如人意;有机半导体材料大多数为P形材料,n型材料较少,类型过于单一,这也限制了有机晶体管的进一步发展。

  除此之外,外界环境如水、氧、光以及温度等,都会影响OTFT器件的稳定性。如果OTFT器件长时间放置在上述的环境中,会导致器件的性能衰减。为了减小外界环境对OTFT器件性能的影响,可以在有机有源层上沉积一层保护层来防止OTFT器件的性能衰减。

OTFT的结构

  OTFT器件的结构一般由栅极、绝缘层、有机有源层、源/漏电极(SourceDrainSD)构成,一般可以分为两类,即顶部电极结构(1)和底部电极结构(2)。顶部电极结构是将源/漏电极完全沉积在有机有源层上面,常见的顶部电极式的结构如图1所示。

  底部电极结构是将源/漏电极完全沉积在有机有源层下面,常见的底部电极结构如图2所示。一般来说,用同种材料构成的顶部电极结构式OTFT器件的性能比底部电极结构式OTFT器件的性能优越,因为项部电极结构OTFT器件的欧姆接触电阻小,场效应迁移率高,在一般的OTFT器件中都采用项部电极结构。

  但是相对于顶部电极结构OTFT器件,底部电极结构OTFT优点是更容易制造出高分辨率的显示器件,在高分辨率OTFT显示器件中多采用底部接触式的结构。

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OTFT器件发展现状

  栅极绝缘层一般分为无机绝缘层和有机绝缘层。常用的无机绝缘层有:SiO:、SiNXAI03。常用的有机绝缘层有:并五苯(Pentacene)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚酰亚胺(P1)、丙烯(AcwI)等。在柔性塑料基板上制作OTFTs,一般选择有机栅极绝缘层,因为有机材料的性能与塑料基板及其TFT层之间的热膨胀系数能更好得匹配。在OTFT器件中,PVP是最常用的有机栅极绝缘层材料,还有其它的一些有机绝缘层材料,其性能如表1所示。

  在有机有源层中,最常用的有机材料是并五苯(Pentacene o它是到目前为止发现的性能最好的有机有源层材料。随着实验研究的不断进展,以Pentacene薄膜为材料制备OTFT器件的性能可以和非晶硅器件相媲美,甚至某些性能超越非晶硅。

  并五苯是5个苯环并列形成的稠环化合物,一般可以通过气相沉积法制作,而其它的一些有机材料,如聚3一己基噻吩(Poly(3hexylthiopene))、聚芴基聚合物(Polyfluorenebased polymer)、聚噻吩(Regioregular poly(thiophene))可以通过溶液工艺制作。下面总结了一些用不同的有机有源层材料构成的OTFT器件,其性能参数如表2所示。

1 用不同的有机栅极绝缘层构成的OTFT器件

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2 用不同的有机有源层材料构成的OTFT器件性能参数

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OTFT器件性能改善的最新研究进展

  影响OTFT器件性能的因素很多,但研究表明,栅极绝缘层与有机有源层之间形成的界面特性和有机有源层与源/漏电极之间形成的欧姆接触电阻是影响OTFT器件性能的两大主要因素,目前国内外的研究者们也主要是从这两个方向进行OTFT器件性能的改善研究。

  栅极绝缘层与有机有源层之间界面特性的改善方法据国内外的文献报道,栅极绝缘层与有机有源层之间的界面特性是影响OTFT器件性能的主要因素之一。改善栅极绝缘层表面形态和有机有源层在绝缘层上生长的形态可以大大提高器件的性能,其方法主要有:定向摩擦法(rubbing)、光配向法(photoalignment)、自组装单分子层技术、UV光照射、在栅极绝缘层与有机有源层之间插入修饰层、用等离子气体处理绝缘层的表面等。

UV光照射

  韩国弘益大学与韩国化学技术研究所的研究者们于2007年共同发现用UV光照射栅极的绝缘层可以改善OTFT器件的性能斟。器件的有机绝缘层和有机有源层分别是感光聚合物PCPentacene,感光聚合物PC分子结构式如图3所示。

  器件采用顶部电极式结构,用UV光在不同的方向上照射栅极的绝缘层,再在绝缘层的上面沉积有机有源层Pentacene,发现用水平UV光照射的器件性能得到了显著地改善。阈值电压从一1 282V降到一851V,场效应迁移率由01 1cm2Vs提高到022cmWs,开关比也从81 X 104提高到19×1 05。通过原子显微镜分析发现,经过UV光照射后,有机有源层Pentacene表面形态的粗糙程度和晶粒的大小没有改变,但由X衍射分析可知,用水平UV光照射过的Pentacene晶粒生长方向发生了改变,更多的是按照垂直方向生长。因此通过UV光照射栅极绝缘层可以改变有机有源层Pentacene薄膜在有机绝缘层表面上的生长方向,进而改善了OTFT器件的性能。

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自组装单分子层技术

  上海大学研究者们发现采用自组装单分子层技术在栅极绝缘层上生长一层疏水性单分子膜十八烷基三氯硅烷(octadecyl trichloro silaneOTS),可以改善OTFT器件的性能”凹。器件的无机绝缘层和有机有源层分别是二氧化硅(SiO)和酞菁铜(CuPC)OTFT器件采用顶部电极式结构,其结构简图如图4所示。

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栅极绝缘层与有机有源层之间沉积

  修饰层上海大学与台湾国立成功大学的研究者们共同发现在栅极绝缘层上沉积一层修饰层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),可以改善OTFT器件的性能。为了降低漏电流,在OTFT器件采用了混合结构的无机绝缘层。

  器件的无机绝缘层和有机有源层分别为SiOdSiN。/SiO:和CuPC,并采用顶部电极式结构。

  在混合的无机绝缘层和有机有源层之间沉积一层PMMA后,器件的性能得到了显著地改善,其场效应迁移率提高了2倍,达到3 X103cm2Ns,开关电流比提高到104,同时漏电流也得到了显著的降低””。使用PMMA修饰过的界面,能量低,再加上PMMA的电介质常数与CuPC的电介质常数相差不多,使CuPC薄膜在界面上生长时以多晶体生长。总之,在无机绝缘层和有机有源层之间沉积一层PMMA,改变了有机有源层CuPC薄膜在界面的生长方向和形态结构,进而改善了OTFT器件的性能。

等离子气体处理

  绝缘层表面用等离子气体处理栅极绝缘层的表面,可以改善绝缘层表面形态,从而改善OTFT器件的性能。

韩国釜山国立大学与韩国成均馆大学的研究者们研究了用O:等离子气体与Ar离子分别处理栅极绝缘层的表面OTFT器件的性能。器件的无机绝缘层和有机有源层分别为SiO:和并五苯,同时采用顶部电极式结构,用O:等离子体和Ar离子处理界面后,其性能对比表如表3所示。

  由于有机有源层表面和无机绝缘层与有机有源层形成的界面处存在着大量的缺陷态,大大地影响了器件的性能。

Ar离子处理栅极绝缘层的表面,可以降低其表面的缺陷态密度,改善绝缘层表面的形态,从而能很好地改善器件的性能,而用氧等离子体处理栅极绝缘层的表面,能大幅度提高迁移率,但同时也降低了开关电流比,其主要原因是用氧等离子体处理过的界面缺陷态密度增加,导致漏电流增大。

有机有源层与源/漏极电极之间欧姆接触电阻的改善方法:

   有机有源层与源/漏极电极之间的欧姆接触电阻的大小也是影响OTFT性能的主要因素之一。

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  改善有机有源层与源/漏极之间的界面特性,可以很好地改变它们之间的欧姆接触电阻大小,从而改善了OTFT器件的性能,最近在此方面也取得了不小的研究进展。

改变源/漏电极在有机有源层上的沉积速率

  韩国弘益大学的研究者们深入地研究了源/漏电极在有机有源层上的沉积速率与OTFT器件性能之间的关系,器件的有机有源层和源/漏电极分别是PentaceneAu,并采用顶部电极式结构,通过调整源/漏电极与有机有源层之间的空穴注入势垒来改善器件的性能。研究结果表明,有机有源层和源/漏电极之间的欧姆接触电阻随着源/漏电极在有机有源层上的沉积速率的增大而减小,当源/漏电极的沉积速率增大时,源/漏电极与有机有源层之间的欧姆接触电阻就减小,空穴的注入势垒就降低,器件的性能就越好。

有机有源层和源/漏电极之间沉积一层空穴注入层

  在有机有源层和源/漏电极之间沉积一层有机或无机空穴注入层,可以降低它们之间的欧姆接触电阻,增强空穴注入能力,从而改善器件的性能。吉林大学研究者们分别研究了在有机有源层和源/漏电极之间沉积有机和无机空穴注入层对OTFT器件性能的影响。

  有机有源层和源/漏电极分别是PentaceneAu,器件采用顶部电极式结构。当在有机有源层和源/漏电极Au之间沉积一层有机空穴注入层mMTDATA,器件的性能得到了明显的改善。

采用金属加金属氧化物作源/漏电极

  由于Au的价格昂贵,制约了它在OTFT器件中的应用,上海大学的研究者们发现可以用金属加金属氧化物替代Au作为源/漏电极,不仅可以大大降低成本,而且OTFT器件的性能也不会发生大的改变。器件采用顶部电极式结构,有机有源层和金属电极分别为CuPCAuAu具有很高的功函数,能和很多有机物形成很好的匹配,而用金属氧化物作为空穴传输层也能和有机有源层形成很好的匹配。

  尽管OTFT在性能和稳定性等方面还无法与传统的无机晶体管相比,但它具有质轻、价廉、柔韧性好的优点,在各种显示装置以及存储器件方面显示了较好的应用前景。

  要想使有机薄膜晶体管得到更大地发展和更广泛地应用,首先要建立更加完备的有机材料载流子传输理论,以指导材料和器件的设计;其次,必须开发出新的、导电性好的有机半导体材料,从而进一步提高有机材料的电子迁移率,增加晶体管的电子速度,改善半导体材料的导电特性;还要开发出进一步缩短有机材料的电子通道长度的工艺技术,改进器件结构:在此基础上,再优化OTFT器件的性能,提高OTFT器件的稳定性和寿命,才能制造出性能更好的OTFT器件。


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