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有机薄膜晶体管由于其材料来源广泛、成本低廉、可大面积加工等优点,将成为新一代平板显示的核心技术,已经受到了研究者们的广泛关注。以六联苯(p-6P)为诱导层,利用弱外延生长获得的酞菁氧钒(VOPc)薄膜晶体管的迁移率达到了1 cm2/Vs,超过了商业非晶硅晶体管的水平。然而,由于 p-6P单、双层薄膜的生长方式及相行为不同,不容易获得相态一致的层状薄膜,而诱导层会影响外延薄膜VOPc的形态,从而影响OTFTs的器件性能。
本论文以提高VOPc薄膜晶体管性能为研究目的,利用弱外延生长技术和有机异质结理论,引入了一种新的诱导层材料F2-P4T,可以得到相态一致,且大面积,连续的双层或三层诱导层薄膜,并且与VOPc之间可以形成有公度外延关系,外延薄膜的质量可以得到明显地改善;通过在电极与有机半导体问添加有机异质结缓冲层的方法,减小了接触电阻,改善了载流子注入效率,从而提高了VOPc薄膜晶体管的性能。本论文的主要工作如下:
1.引入了新的诱导层材料F2-P4T,对其薄膜形态、相行为以及电学性质进行了研究。F2-P4T薄膜生长方式与p-6P有所不同,通过原子力图像以及X射线衍射图证明,F2-P4T的前三层薄膜与后续薄膜表现出不同的相行为,前三层为薄膜相,第二层和第三层表现为层状生长方式,从第四层薄膜开始生长方式发生了改变,体相薄膜开始出现,表现为岛状生长方式,并且由薄膜相到体相的转变几乎是突变的过程。对F2-P4T薄膜进行场效应测试证明无论是在真空还是空气环境下,F2-P4T薄膜均没有场效应特性,因此在OTFTs工作时可以把它当成绝缘层,不参与载流子的传输,因此不会对活性层本征迁移率产生影响。
2.通过选区电子衍射证明VOPc在双层F2-P4T上可以形成有公度外延关系。原子力形貌图显示,在双层F2-P4T薄膜上生长VOPc可以得到晶畴尺寸较大,晶畴之间融合得好,没有明显晶界存在的连续薄膜,这与在p-6P上生长的VOPc薄膜相比,薄膜质量得到了显著的改善。制备了以F2-P4T为诱导层的高迁移率的VOPc薄膜晶体管,其最高场效应迁移率可以到达2.6 cm2/Vs,阈值电压小于-5V,开关态电流比超过了106。晶体管迁移率的提高主要是由于活性层VOPc薄膜质量的改善。同时,F2-P4T/VOPc薄膜晶体管还表现出了良好的空气稳定。
3.对F2-P4T/VOPc OTFTs中Au电极与VOPc之间的接触效应进行研究。利用TML法对F2-P4T/VOPc薄膜晶体管的接触电阻进行了提取,并分析了接触电阻对器件迁移率以及阈值电压的影响。制备了普通多晶和类单晶的CuPc/F16CuPc异质结薄膜作为缓冲层的F2-P4T/VOPc晶体管,两种缓冲层的添加对器件性能都有明显地改善,但添加类单晶缓冲层薄膜的器件性能提高更显著,经过优化后可得到迁移率为4.08 cm2/Vs的F2-P4T/VOPc OTFTs。通过对VOPc OTFTs总电阻的提取和二极管电流-电压特性的表征进一步证明了类单晶缓冲层更有效地减小了器件的接触电阻,从而更显著地改善了载流子的注入效率。类单晶缓冲层对器件性能地改善主要是由于其薄膜电导率的提高以及薄膜质量地改善。