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又彎又軟的OTFT!背后技術故事知多少

  近年來,對有機薄膜晶體管(organic thin f¨mtransistorOTFT)器件的研究和應用取得了長足的進展,作為下一代新的顯示技術備受人們的關注。

  與無機薄膜晶體管相比,OTFT具有更多的優點:首先現在有更多更新的制作有機薄膜的技術,如LangmuirBlodgett(LB)技術、分子自組裝技術、真空蒸鍍、噴墨打印等:其次在制作有機薄膜的過程中,對氣體的條件和純度的要求比較低,從而簡化了制作工藝,降低了生產成本。

  同時,使用有機材料不但可以制作尺寸更小的器件,而且還可以通過適當地修飾有機分子結構來改善OTFT器件的性能。

  除此之外,OTFT器件還具有很好的柔韌性,攜帶起來更加方便。有研究表明,對“全有機“晶體管(全部用有機材料制成的晶體管)進行適度地扭曲或彎曲,并不會明顯地改變器件的電學特性,這種優良的特性進一步拓寬了OTFT的使用范圍。隨著對OTFT研究的深入,發現目前仍然存在許多缺點和問題。

  如現有的關于半導體能帶理論是建立在無機材料的基礎上,對OTFT中一些現象無法給出合理的解釋;有機薄膜晶體管的開關速度不穩定,在晶體管的內部可能發生擺動,從而使各種信息滯后;大多數有機材料的遷移率都很低,與無機多晶和單晶材料的遷移率相比要小得多,因而其導電性并不盡如人意;有機半導體材料大多數為P形材料,n型材料較少,類型過于單一,這也限制了有機晶體管的進一步發展。

  除此之外,外界環境如水、氧、光以及溫度等,都會影響OTFT器件的穩定性。如果OTFT器件長時間放置在上述的環境中,會導致器件的性能衰減。為了減小外界環境對OTFT器件性能的影響,可以在有機有源層上沉積一層保護層來防止OTFT器件的性能衰減。

OTFT的結構

  OTFT器件的結構一般由柵極、絕緣層、有機有源層、源/漏電極(SourceDrainSD)構成,一般可以分為兩類,即頂部電極結構(1)和底部電極結構(2)。頂部電極結構是將源/漏電極完全沉積在有機有源層上面,常見的頂部電極式的結構如圖1所示。

  底部電極結構是將源/漏電極完全沉積在有機有源層下面,常見的底部電極結構如圖2所示。一般來說,用同種材料構成的頂部電極結構式OTFT器件的性能比底部電極結構式OTFT器件的性能優越,因為項部電極結構OTFT器件的歐姆接觸電阻小,場效應遷移率高,在一般的OTFT器件中都采用項部電極結構。

  但是相對于頂部電極結構OTFT器件,底部電極結構OTFT優點是更容易制造出高分辨率的顯示器件,在高分辨率OTFT顯示器件中多采用底部接觸式的結構。

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OTFT器件發展現狀

  柵極絕緣層一般分為無機絕緣層和有機絕緣層。常用的無機絕緣層有:SiO:、SiNXAI03。常用的有機絕緣層有:并五苯(Pentacene)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚酰亞胺(P1)、丙烯(AcwI)等。在柔性塑料基板上制作OTFTs,一般選擇有機柵極絕緣層,因為有機材料的性能與塑料基板及其TFT層之間的熱膨脹系數能更好得匹配。在OTFT器件中,PVP是最常用的有機柵極絕緣層材料,還有其它的一些有機絕緣層材料,其性能如表1所示。

  在有機有源層中,最常用的有機材料是并五苯(Pentacene o它是到目前為止發現的性能最好的有機有源層材料。隨著實驗研究的不斷進展,以Pentacene薄膜為材料制備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個苯環并列形成的稠環化合物,一般可以通過氣相沉積法制作,而其它的一些有機材料,如聚3一己基噻吩(Poly(3hexylthiopene))、聚芴基聚合物(Polyfluorenebased polymer)、聚噻吩(Regioregular poly(thiophene))可以通過溶液工藝制作。下面總結了一些用不同的有機有源層材料構成的OTFT器件,其性能參數如表2所示。

1 用不同的有機柵極絕緣層構成的OTFT器件

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2 用不同的有機有源層材料構成的OTFT器件性能參數

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OTFT器件性能改善的最新研究進展

  影響OTFT器件性能的因素很多,但研究表明,柵極絕緣層與有機有源層之間形成的界面特性和有機有源層與源/漏電極之間形成的歐姆接觸電阻是影響OTFT器件性能的兩大主要因素,目前國內外的研究者們也主要是從這兩個方向進行OTFT器件性能的改善研究。

  柵極絕緣層與有機有源層之間界面特性的改善方法據國內外的文獻報道,柵極絕緣層與有機有源層之間的界面特性是影響OTFT器件性能的主要因素之一。改善柵極絕緣層表面形態和有機有源層在絕緣層上生長的形態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)、自組裝單分子層技術、UV光照射、在柵極絕緣層與有機有源層之間插入修飾層、用等離子氣體處理絕緣層的表面等。

UV光照射

  韓國弘益大學與韓國化學技術研究所的研究者們于2007年共同發現用UV光照射柵極的絕緣層可以改善OTFT器件的性能斟。器件的有機絕緣層和有機有源層分別是感光聚合物PCPentacene,感光聚合物PC分子結構式如圖3所示。

  器件采用頂部電極式結構,用UV光在不同的方向上照射柵極的絕緣層,再在絕緣層的上面沉積有機有源層Pentacene,發現用水平UV光照射的器件性能得到了顯著地改善。閾值電壓從一1 282V降到一851V,場效應遷移率由01 1cm2Vs提高到022cmWs,開關比也從81 X 104提高到19×1 05。通過原子顯微鏡分析發現,經過UV光照射后,有機有源層Pentacene表面形態的粗糙程度和晶粒的大小沒有改變,但由X衍射分析可知,用水平UV光照射過的Pentacene晶粒生長方向發生了改變,更多的是按照垂直方向生長。因此通過UV光照射柵極絕緣層可以改變有機有源層Pentacene薄膜在有機絕緣層表面上的生長方向,進而改善了OTFT器件的性能。

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自組裝單分子層技術

  上海大學研究者們發現采用自組裝單分子層技術在柵極絕緣層上生長一層疏水性單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。器件的無機絕緣層和有機有源層分別是二氧化硅(SiO)和酞菁銅(CuPC)OTFT器件采用頂部電極式結構,其結構簡圖如圖4所示。

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柵極絕緣層與有機有源層之間沉積

  修飾層上海大學與臺灣國立成功大學的研究者們共同發現在柵極絕緣層上沉積一層修飾層聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),可以改善OTFT器件的性能。為了降低漏電流,在OTFT器件采用了混合結構的無機絕緣層。

  器件的無機絕緣層和有機有源層分別為SiOdSiN。/SiO:和CuPC,并采用頂部電極式結構。

  在混合的無機絕緣層和有機有源層之間沉積一層PMMA后,器件的性能得到了顯著地改善,其場效應遷移率提高了2倍,達到3 X103cm2Ns,開關電流比提高到104,同時漏電流也得到了顯著的降低””。使用PMMA修飾過的界面,能量低,再加上PMMA的電介質常數與CuPC的電介質常數相差不多,使CuPC薄膜在界面上生長時以多晶體生長。總之,在無機絕緣層和有機有源層之間沉積一層PMMA,改變了有機有源層CuPC薄膜在界面的生長方向和形態結構,進而改善了OTFT器件的性能。

等離子氣體處理

  絕緣層表面用等離子氣體處理柵極絕緣層的表面,可以改善絕緣層表面形態,從而改善OTFT器件的性能。

韓國釜山國立大學與韓國成均館大學的研究者們研究了用O:等離子氣體與Ar離子分別處理柵極絕緣層的表面OTFT器件的性能。器件的無機絕緣層和有機有源層分別為SiO:和并五苯,同時采用頂部電極式結構,用O:等離子體和Ar離子處理界面后,其性能對比表如表3所示。

  由于有機有源層表面和無機絕緣層與有機有源層形成的界面處存在著大量的缺陷態,大大地影響了器件的性能。

Ar離子處理柵極絕緣層的表面,可以降低其表面的缺陷態密度,改善絕緣層表面的形態,從而能很好地改善器件的性能,而用氧等離子體處理柵極絕緣層的表面,能大幅度提高遷移率,但同時也降低了開關電流比,其主要原因是用氧等離子體處理過的界面缺陷態密度增加,導致漏電流增大。

有機有源層與源/漏極電極之間歐姆接觸電阻的改善方法:

   有機有源層與源/漏極電極之間的歐姆接觸電阻的大小也是影響OTFT性能的主要因素之一。

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  改善有機有源層與源/漏極之間的界面特性,可以很好地改變它們之間的歐姆接觸電阻大小,從而改善了OTFT器件的性能,最近在此方面也取得了不小的研究進展。

改變源/漏電極在有機有源層上的沉積速率

  韓國弘益大學的研究者們深入地研究了源/漏電極在有機有源層上的沉積速率與OTFT器件性能之間的關系,器件的有機有源層和源/漏電極分別是PentaceneAu,并采用頂部電極式結構,通過調整源/漏電極與有機有源層之間的空穴注入勢壘來改善器件的性能。研究結果表明,有機有源層和源/漏電極之間的歐姆接觸電阻隨著源/漏電極在有機有源層上的沉積速率的增大而減小,當源/漏電極的沉積速率增大時,源/漏電極與有機有源層之間的歐姆接觸電阻就減小,空穴的注入勢壘就降低,器件的性能就越好。

有機有源層和源/漏電極之間沉積一層空穴注入層

  在有機有源層和源/漏電極之間沉積一層有機或無機空穴注入層,可以降低它們之間的歐姆接觸電阻,增強空穴注入能力,從而改善器件的性能。吉林大學研究者們分別研究了在有機有源層和源/漏電極之間沉積有機和無機空穴注入層對OTFT器件性能的影響。

  有機有源層和源/漏電極分別是PentaceneAu,器件采用頂部電極式結構。當在有機有源層和源/漏電極Au之間沉積一層有機空穴注入層mMTDATA,器件的性能得到了明顯的改善。

采用金屬加金屬氧化物作源/漏電極

  由于Au的價格昂貴,制約了它在OTFT器件中的應用,上海大學的研究者們發現可以用金屬加金屬氧化物替代Au作為源/漏電極,不僅可以大大降低成本,而且OTFT器件的性能也不會發生大的改變。器件采用頂部電極式結構,有機有源層和金屬電極分別為CuPCAuAu具有很高的功函數,能和很多有機物形成很好的匹配,而用金屬氧化物作為空穴傳輸層也能和有機有源層形成很好的匹配。

  盡管OTFT在性能和穩定性等方面還無法與傳統的無機晶體管相比,但它具有質輕、價廉、柔韌性好的優點,在各種顯示裝置以及存儲器件方面顯示了較好的應用前景。

  要想使有機薄膜晶體管得到更大地發展和更廣泛地應用,首先要建立更加完備的有機材料載流子傳輸理論,以指導材料和器件的設計;其次,必須開發出新的、導電性好的有機半導體材料,從而進一步提高有機材料的電子遷移率,增加晶體管的電子速度,改善半導體材料的導電特性;還要開發出進一步縮短有機材料的電子通道長度的工藝技術,改進器件結構:在此基礎上,再優化OTFT器件的性能,提高OTFT器件的穩定性和壽命,才能制造出性能更好的OTFT器件。


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