【摘 要】
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基于溶液法制备的半导体产品具有可在低温下加工和可以与价廉的柔性衬底相兼容等特点,在可穿戴设备、物联网等新兴的领域具有广阔的应用前景。其中,有机半导体材料和半导体型单壁碳纳米管(Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes,s-SWCNTs)为目前柔性器件比较热门的两类材料。由这两种材料制备的薄膜晶体管(Thin-Film Transistors,TFT
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基于溶液法制备的半导体产品具有可在低温下加工和可以与价廉的柔性衬底相兼容等特点,在可穿戴设备、物联网等新兴的领域具有广阔的应用前景。其中,有机半导体材料和半导体型单壁碳纳米管(Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes,s-SWCNTs)为目前柔性器件比较热门的两类材料。由这两种材料制备的薄膜晶体管(Thin-Film Transistors,TFTs)作为柔性电子技术的核心单元,对其电学性能的研究是推进柔性模拟器件应用的关键。本论文中的工作主要包括以下三个方面:(1)有机TFTs(organic TFTs,OTFTs)本征增益的研究。本征增益是一个具有最简单放大器结构的晶体管所能达到的最大增益,是晶体管在模拟放大器应用中的适用性测量的关键参数,并与数字逻辑电路中可获得的增益大小紧密相连。然而,目前缺少有机TFTs的基本参数和其本征增益的关系比较完整的研究。本论文中,通过选取不同的有机半导体材料、器件结构、薄膜旋涂方法,研究了不同半导体或器件参数对OTFTs本征增益的影响。这些基本参数包括场效应迁移率、沟道长度、半导体薄膜厚度、接触电阻和栅极偏压。研究结果表明随着器件栅极偏压的增大、薄膜厚度的减小、沟道长度的变短,器件本征增益会随之变小。同时,实验结果显示场效应迁移率与本征增益间没有直接的关联。本论文的结论为获取具有最佳增益值的OTFTs电路积累了经验、提供了可行思路,是未来信号放大和数字信号处理的研究中不可或缺的。(2)基于 indacenodithiophene-co-benzothiadiazole(IDT-BT)材料的 OTFTs 和金属-半导体-金属(metal-semiconductor-metal,MSM)器件的电学性能的研究。为研究IDT-BT TFTs在饱和区导电特性的起源,本文深入分析了具有表面电极结构的基于IDT-BT的MSM器件的电学性能。利用不同的电极间距离和工艺条件制备了基于IDT-BT的横向MSM器件和TFTs。其中,MSM器件的电流-电压特征曲线在较低的偏压下呈线性相关,在较高的偏压下则呈超线性相关,符合SCLC理论模型。基于SCLC理论,我们提取了不同制备工艺件下的IDT-BT薄膜的陷阱浓度,特别地,我们发现小分子添加物的引入能够有效地降低陷阱浓度,这与晶体管中数据变化一致。另外,在MSM器件中达到陷阱填充SCLC区的电场强度大小基本几乎均高于饱和区夹断点外部分TFTs的场强。因此,我们认为在OTFTs在饱和区的导电特性不是由陷阱填充区的SCLC引起的。此结论对未来有关OTFTs饱和区电荷传输机制的建模有一定的指导意义,这对于OTFTs在大面积电子设备中的应用是必需的。(3)低电压驱动s-SWCNTs TFTs的制备与电学性能的研究。低电压驱动对于柔性电子技术在实际应用中具有非常重要的意义。s-SWCNTs是一种典型的可用溶液法制备的具备低电压驱动特征的半导体材料。本文通过滴涂法制备了 s-SWCNTs TFTs并通过低温测试研究电学性能。实验数据表明,所得晶体管器件可以在2 V的电压内稳定工作,并且在测试过程中表现出p型半导体的特征。另外,随着测试温度由50 K升高到290 K,所得器件中载流子场效应迁移率和源漏电流表现出热激发性质。并且,随着温度的升高,回滞现象愈发明显。结合电容式充电模型的研究,回滞现象可能由于测试过程中栅介电层表面被陷阱捕获的载流子在反扫中被释放引起的。总结来说,我们首先获得了可在低电压下驱动的晶体管器件,其次通过变温测试研究了 s-SWCNTs TFTs的电学性能。
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