偏压应力诱导的有机薄膜晶体管电流不稳定性的机制研究

摘要

在近二十年来，有机薄膜晶体管(OTFT)在各个方向的应用方面取得明显的成果与进步：包括平板显示、射频识别标签、化学生物传感器等。对双极型场效应晶体管而言，它们能够在不使用复杂的图形制作技术下应用于有机电路如反相器、振荡器和逻辑电路等。最近，基于双极型场效应晶体管的有机发光场效应晶体管（OLEFETs）同样引起了广泛的兴趣与关注。
　　 然而，尽管有机薄膜晶体管领域取得重大进步，该领域产业应用方面同样面临着一些挑战。其中一个至关重要的问题就是器件的工作稳定性，器件典型且明显的偏压应力效应需要被有效的抑制。偏压应力效应是指器件在持续工作状态下沟道电流(ID)的稳定性发生变化。在该论文中，单极和双极型有机薄膜晶体管的偏压应力诱导的电流不稳定性的机制将被研究与讨论。器件的接触电阻将使用转移线性方法测量。探针台和4200-SCS型半导体特性分析系统被用于器件性能的测试与分析。原子力显微镜和X射线衍射仪将被用于薄膜生长与形貌的研究。
　　 对单极型薄膜晶体管，我们研究报道了基于并五苯材料的有机薄膜晶体管中偏压应力效应诱导的接触电阻不稳定性。接触电阻随应力时间增加，并且发现两个器件参数导致接触电阻不稳定性：一个是源于电荷积累层电荷捕获导致的阈值电压增加。另外一个是接触区域并五苯薄膜块体区域中电荷诱捕导致的有效接触长度的增加。该项工作说明在有机薄膜晶体管中，随时间变化的电荷捕获是导致偏压应力效应的原因。
　　 对双极型薄膜晶体管，我们发现系统的调节P型半导体材料和N型半导体材料的厚度与器件制备过程中衬底淀积温度是获得标准且均衡的器件性能的有效方法。P/N半导体界面的形貌对顶层半导体材料中电荷的传输至关重要：明显影响器件性能如迁移率，开关比。偏压应力效应依赖于半导体层厚度的规律性变化被发现与研究。并且，我们研究了受界面形貌影响的电荷诱捕与散射，同时建立了模型去解释工作机制。
　　 该论文的工作既有助于对有机薄膜晶体管中偏压应力效应的机制理解，同时也对改善器件电流稳定性，优化器件性能有一定的指导意义。