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基于横向和垂直结构的有机场效应晶体管的研究

胡子阳  
【摘要】: 有机场效应晶体管(Organic Field Effect Transistor, OFET)是有机电子学的重要研究课题之一。自从第一个OFET诞生起到现在,OFET的研究获得了巨大的进展,由于它具有良好的发展前景和商用价值,因而具有重要的研究意义。OFET具有制备温度低、成本低,而且比硅晶体管更好的柔韧性,因此适合用于液晶显示器和有机电致发光柔性显示器的有源矩阵驱动电路、智能卡、电子条形码标签、商品价格标签和大面积传感阵列等应用领域。 本论文首先回顾了OFET的发展历史,评述了OFET发展过程中所存在的问题及各阶段的研究重点,并对现阶段OFET存在的问题、研究热点及未来的发展方向作了总结。其次,概述了各种OFET中常用的材料,包括有机场效应半导体材料、电极材料和绝缘层材料等。阐释了OFET的工作机理,并推导了OFET相关的电流电压方程。 基于目前OFET发展中存在的一些问题,本论文主要以OFET器件为研究对象,合理地设计了器件的结构,制备了横向和垂直结构的场效应晶体管。并通过对有机材料的选择与器件结构相结合,实现了器件的多功能化。论文的主要工作如下: (1)以高迁移率并五苯为有源层材料,低成本的铜为电极材料,制备的场效应晶体管达到了同等条件下以昂贵的金为电极材料的OFET性能。存储在空气中十小时后的器件表现出更好的性能,场效应迁移率由0.012增加到0.03 cm2 V-1 s-1,阈值电压由?14减小到?9 V,电流开关比接近104。存储器件性能改善的原因是铜源、漏电极在空气中的氧化生成一层薄的铜氧化物。并对这薄层氧化物所起到的作用进行了详细分析。实验结果说明,利用铜电极的自我氧化作用可为OFET的制备降低生产成本。 (2)采用OFET顶接触结构,LiF/Al作为源漏电极,制备了有机发光二极管(OLED)。器件呈现OFET的场效应行为和OLED的光电特性。五个有机层在器件实现不同功能分别起到不同的作用。虽然有机层的厚度在一定程度上影响了OLED的光电特性,但却实现了晶体管单极的场效应行为。根据FET的传统结构和工作机理,分析了场效应行为形成的原因。这种多功能光电的器件将为研究电荷载流子的复合,传输和注入机制提供一种新的途径。 (3)制备了一种有机垂直光发射晶体管(VOLET)。其结构为一个有机光发射单元垂直堆叠在一个电容单元上,两单元通过一个共有的源电极连在一起。该器件兼具有机发光二极管(OLED)的发光和晶体管的开关调节两个功能。当电容单元被充电时,积累在源电极的电荷能有效地调节有机光发射单元载流子的注入势垒,从而达到控制源漏输出电流的大小,最终控制光发射单元发光的强度。实验结果表明,器件可提供0.2 mA的输出电流驱动发光单元发光,其工作电压大小(开启电压)仅为6V。通过采用此种垂直集成的方案,实现了器件的多功能化,为有源矩阵OLED平板显示的实际应用提供了一种新的解决方法。


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