不同栅介质层并五苯薄膜晶体管的制备及性能研究

摘要

有机薄膜晶体管(organic thin film transistors，OTFTs)具有质量轻、价格便宜、低温工艺、与柔性兼容等优点，在近十年来得到了迅速的发展。OTFTs可以作为传统硅晶体管的替代者，广泛应用在微电子和半导体行业。然而，与传统的硅基晶体管相比，OTFTs还存在一些问题，譬如:载流子迁移率较低，需要高驱动电压及器件的稳定性比较差等。特别是高驱动电压会增加器件的能耗，是限制OTFTs大规模应用的一个重要因素。因此，应用于OTFTs的高性能栅介质层是近年来的一个热门研究方向。各种栅介质层，包括氧化物、聚合物、有机/无机复合等，都得到了广泛的研究。尽管各种栅介质层的研究取得了很大的进展，但是高性能栅介质层及其大规模制备仍是一个很大的挑战。本课题正是基于这样的研究背景，通过简单的液相制备方法制备了多种栅介质层，并研究了其相应OTFTs的性能。
　　本课题首先探索了有机/无机双栅介质层的成膜工艺与OTFTs的器件性能的关系。有机介电材料选择了聚甲基丙烯酸甲酯(poly methyl meth acrylate，PMMA)和聚苯乙烯(poly styrene，PS)。结果表明，OTFTs的性能与有机层的种类及厚度有关。当PMMA厚度从200nm降到40nm时，器件的载流子迁移率从0.06增加到0.11cm2/Vs，开关比从103增加到104;当PS厚度从60nm降到10nm时，器件的载流子迁移率从0.26增加到0.56cm2/Vs，开关比从105增加到106。PMMA及PS分别作为有机/SiO2双栅介质层的有机层时，OTFTs器件的性能差异与有机介电材料的极性有关，非极性的PS层更有利于器件载流子对的传输。双层有机与无机栅介质层复合可以在一定程度上提高器件的电学性能。例如，利用双层PS作为复合栅介质层的有机部分时，OTFTs器件的载流子迁移率达到0.71cm2/Vs，开关比可达8.14×106。
　　随后，本课题提出用单分子自组装层(SAMs)修饰有机/无机双栅介质层，并比较了修饰前后OTFTs器件性能的变化。HMDS修饰PS/SiO2栅介质层结果表明:经HMDS修饰后，HMDS自组装单分子层为有机半导体分子的有序沉积提供了很好的平台，有利于载流子在有机半导体层/栅介质层界面处传输。特别地，利用HMDS/(10nmPS)/SiO2栅介质层的OTFTs器件呈现出最优异的电学性能，器件的载流子迁移率达到1.05cm2/Vs，是(10nmPS)/SiO2栅介质层器件的两倍，器件的开关比也增大了一个数量级，从105-106增加到了106-107。这些OTFTs器件性能对比，展示了SAMs对OTFTs器件的显著改善作用。
　　更重要的是，本实验发展了一种制备非晶复合氧化物薄膜的简便通用方法。以ZrTiOx作为典型例子，通过控制组分及退火温度，溶液法获得了介电常数为53，单位面积电容为467nF/cm2的ZrTiOx薄膜。使用PS与ZrTiOx薄膜复合，获得漏电流为4×10-8A/cm2的复合介电薄膜。利用PS/ZrTiOx复合介电层制备了OTFTs器件。OTFTs器件的载流子迁移率最高可达0.58cm2/Vs，开关比达到了104，操作电压也降低到了6V。这些结果证明了非晶复合氧化物薄膜可以作为高性能OTFTs的栅介质层。