双极型有机场效应晶体管及有机发光晶体管的研制

【摘要】：有机场效应晶体管（OFET）是有机电子学的主要研究方向之一，其在柔性集成电路、透明显示器件领域具有诱人的应用前景。双极型OFET由于其在有机CMOS集成电路领域的独特优势，近年来受到越来越广泛的重视。有机发光晶体管(OLET)是基于OFET结构而具备电致发光特性的新型有机光电子器件，它结合了OFET和OLED的优势，被认为是下一代柔性显示的有力竞争者。另外由于其容易获得高的电流密度，因而也被公认为是实现电泵浦有机激光的理想结构。 本论文以高性能双极型OFET以及OLET为目标，对器件的制备工艺进行了较详尽的研究和优化，部分解决了器件迁移率低、工作电压高、工作稳定性差、发光性能差等问题。主要研究内容及成果如下：（1）平衡、高载流子迁移率空气稳定双极型OFET的制备。分别以有机半导体材料pentacene和PTCDI-C13为空穴和电子传输层，采用双层异质结结构制备双极型OFET。对pentacene层的衬底温度、薄膜厚度、生长速率，以及PTCDI-C13薄膜厚度和生长速率进行优化。发现PTCDI-C13层采用变速率生长能够显著提升载流子迁移率以及器件的空气稳定性。空穴和电子迁移率分别由恒定速率条件下的0.09cm2/V s和0.05cm2/V s提升到0.11cm2/V s和0.10cm2/V s。采用PS修饰SiO2界面后，载流子迁移率进一步提升到0.41cm2/V s和0.40cm2/V s，为目前报道的空气中的最高值。通过对PTCDI-C13生长过程中不同阶段表面形貌的对比发现，变速率方法对器件性能的改善主要在于薄膜生长初始阶段较低的生长速率有利于大尺寸晶粒的形成，后续变化的速率能够使PTCDI-C13分子有效的填补前面晶粒的间隙，从而减小在晶粒间隙间的散射损耗，进而提升载流子迁移率。利用优化出的双极型OFET，制作了有机CMOS反相器，反相器最大增益达到38。 （2）低工作电压双极型OFET的制备。采用阳极氧化Al2O3取代SiO2作为绝缘层制备低电压工作器件。研究了不同阳极氧化电压对器件性能的影响。当氧化电压为15V时，双极型器件的工作电压可以降至5V左右，实现了器件的低压工作目标。进一步采用20nm的PS对Al2O3表面进行修饰，可以使器件的空穴和电子迁移率分别达到0.50cm2/V s和0.20cm2/V s。通过对器件转移特性曲线的定量分析，得到双极型器件关态区间与载流子阈值电压和源漏电极电压的关系：ΔVGS=(VTH-e-VTH-h)-|VDS|。该关系表明，可以适当调节载流子阈值电压来获得大的关态区间，从而证明双极型器件可以克服关态电流大的问题，从而应用在低功耗CMOS领域。同时，由该器件制备的CMOS反相器的工作电压也在5V左右，最高增益~16。另外，对该低压双极型器件的阈值电压漂移（bias-stress）进行了实验研究，发现其漂移规律与文献中报道的单极型OFET不相同。双极型器件的阈值电压漂移不是由半导体层与绝缘层界面处的电化学反应引起的，而可能是有机半导体层体内的载流子陷阱所致。 （3）高性能OLET的制备。在上述高迁移率双极型OFET的基础上，引入发光层材料Alq3:DCJTI（2%），成功研制出三层异质结结构的OLET，器件光功率密度达到0.45Wm-2，外量子效率~0.005%。为了减小Alq3与pentacene之间大的空穴传输势垒，插入NPB作为空穴传输层，研究了不同NPB厚度对器件性能的影响。结果表明，随着NPB的厚度由0nm增大至11nm的过程中，空穴迁移率线性增大，由0.004cm2/V s增大到0.036cm2/V s，说明NPB确实能够起到减小空穴传输势垒的作用。另外，实验发现，在Alq3中掺入DCJTI（2%）后，电子迁移率下降了约一半，为了消除掺杂给电子迁移率带来的影响，我们在掺杂发光层的上面蒸镀了一层非掺杂的Alq3，结果表明，这一层的引入使器件出光性能明显提升——出光功率密度由20pW提高到170pW。 （4）基于OLET的有机激光晶体管结构设计。结构之一为在OLET的栅极一侧和有机层表面一侧各引入一组DBR作为反射镜的面发射平面微腔结构。设计结果表明，适当优化调节OLET结构中的Alq3和PTCDI-C13层厚度，可使微腔的谐振峰在610nm附近，且腔内驻波光场最强出位于Alq3:DCJTI增益层。结构之二为二阶DFB光栅反馈结构。根据耦合模理论对器件进行设计，模拟结果表明，在SiO2表面制作周期为402.4nm，占空比为0.4，深度为20nm的矩形光栅结构，可在器件上表面得到沿沟道宽度方向远场发散角为0.0065°，中心波长为610.5nm的输出光。此时器件的阈值电流密度为1.23kA/cm2，要求器件的载流子迁移率达到0.1cm2/V s以上。