基于肖特基势垒调控的低功耗高增益有机薄膜晶体管

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:BlueHeart1111
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有机薄膜晶体管由于其柔性可穿戴、成本低、可低温制备和大面积生产等特点,被应用于有源矩阵平板显示、电致发光二极管和“电子纸”显示等。然而,由于有机半导体无法实现稳定的重掺杂,导致其有机半导体与电极之间无法形成欧姆接触,存在较高的肖特基势垒,极大地影响了有机薄膜晶体管的性能,阻碍了低功耗和高增益有机薄膜晶体管的实现与发展。因此,我们需要深入研究有机薄膜晶体管的肖特基势垒,并做到其势垒高度可调控,实现欧姆接触,以促成其更广的应用。首先需要挖掘的问题就是有机薄膜晶体管中实际肖特基势垒高度的提取。因为电极表面存在偶极子,金属-半导体界面存在缺陷和镜像力,以及有机半导体发生费米能级钉扎等原因,有机薄膜晶体管的实际肖特基势垒高度与通过莫特-肖特基规则计算的理论值存在较大的偏差,这对于制备欧姆接触的高性能有机薄膜晶体管来说,是极大的挑战。其次,如何降低有机薄膜晶体管的肖特基势垒高度以提升晶体管性能也一直是一个重大难题。对于有机薄膜晶体管而言,如何有效地调控不同晶体管的肖特基高度从而优化器件的电学参数,成了至关重要的问题。综上所述,为提升有机晶体管的器件性能实现大规模应用,非常有必要对肖特基势垒高度的提取方法、肖特基势垒高度的调控方式以及其对晶体管电学参数调控作用进行深入细致的研究。本硕士论文的主要研究工作及创新性成果简述如下:(1)研究不同源漏电极(Pt、Au、Cu和Cr)的IDT-BT薄膜晶体管,通过金属功函数的变化调控晶体管的肖特基势垒高度,并提取出其实际肖特基势垒高度,分析其对有机薄膜晶体管各项电学参数的影响。随着Cr、Cu、Au和Pt的功函数依次增大,其制备的IDT-BT薄膜晶体管的开关比从103增大到106,器件的迁移率也随着接触电阻的减小而变大,其中,以Pt为源/漏电极的IDT-BT有机薄膜晶体管有着最高的迁移率2.79 cm2V-1s-1和最低的接触电阻1.06×104Ωcm。通过测试不同温度下的输出特性曲线,提取出消除了镜像力作用的本征肖特基势垒高度,发现其数值与通过莫特-肖特基规则计算的理论值存在很大差异。同时,以Pt为源/漏电极的IDT-BT有机薄膜晶体管的本征肖特基势垒高度为0.123 eV,说明其金半接触接近于欧姆接触,从肖特基势垒角度解释了以Pt作为接触电极的有机晶体管的开关比、阈值电压和亚阈值摆幅等性能最好的原因。(2)通过在金属-半导体接触界面加入铟中间层,研究铟中间层对N2200薄膜晶体管肖特基势垒的调控作用,并分析不同铟层厚度(0-20 nm)对N2200薄膜晶体管性能的影响。研究发现,当铟层厚度为10 nm时,N2200有机薄膜晶体管展现出最好的电学性能。随着铟层厚度从0 nm增加到10 nm,其器件的接触电阻显著减小,从1010Ωcm迅速降低到108Ωcm,,但是当铟层厚度继续增大到20 nm时,接触电阻急剧增大。铟中间层可以有效地降低肖特基势垒高度,从而导致电荷注入的效率提高。当铟层厚度为10 nm时,N2200有机薄膜晶体管的迁移率最高,达到了0.324 cm2V-1s-1,且器件展现出最低的亚阈值摆幅为0.87 Vdec-1。当铟层厚度大于10 nm时,铟层厚度增加的速度大于耗尽层宽度减小的速度,使得电荷从电极注入沟道层的距离增大,电荷注入的效率受到了限制,器件性能也因此发生了退化。同时,实验证明,铟中间层有效降低了晶体管的功耗,对实现低功耗N型有机薄膜晶体管有着重要意义。(3)研究了N2200-In2O3复合结构对薄膜晶体管的影响,通过In2O3的电子掺杂,研究了其对薄膜晶体管的迁移率、阈值电压和亚阈值摆幅等电学参数的调控作用。对比分析了N2200有机薄膜晶体管、In2O3氧化物薄膜晶体管以及N2200-In2O3复合型薄膜晶体管的电学参数,发现In2O3薄膜可以有效地对N2200有机半导体沟道进行电子掺杂,N2200-In2O3复合型薄膜晶体管的迁移率高达2.326 cm2V-1s-1。N2200-In2O3双层结构还可以优化薄膜晶体管的阈值电压,N2200-In2O3复合型有机薄膜晶体管的阈值电压值为1.68 V,且亚阈值摆幅低至1.27 Vdec-1,满足了低电压器件的产品需求。同时,N2200-In2O3复合型有机薄膜晶体管的偏压稳定性较高,在施加了1h的50V偏压后阈值电压总偏移量仅为7.68 V,实现了低电压、高稳定性薄膜晶体管的制备。同时,实验证明,有机半导体与氧化物半导体的复合,对实现低功耗高增益薄膜晶体管有着重要意义。
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