基于有机/无机复合栅介电层的有机薄膜晶体管的制备及性能研究

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经过二十多年的发展,有机薄膜晶体管(Organic Thin Film Trsnsistors,OTFTs)的性能已经得到显著的提升,OTFTs具有成本低、可低温制备、柔性等优点,在半导体以及光电子领域具有巨大的应用潜力。但是目前OTFTs还存在载流子迁移率低、阈值电压高等问题,导致OTFTs在实现大规模商业化应用方面具有一定困难。而通过制备高质量的栅介电层可以有效提升OTFTs性能,因此近年来制备和优化OTFTs的栅介电层成为一个重点研究方向。基于此研究背景,本文通过界面修饰的方式来制备高质量栅介电层从而提升并五苯OTFTs器件的性能,并且对制备的薄膜以及器件的性能进行表征与分析,主要研究内容和结果如下:(1)以Si O2作为OTFTs的栅介电层,通过聚乙烯基苯酚(PVP)、聚乙烯醇(PVA)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物溶液分别对Si O2表面旋涂修饰,分析聚合物修饰栅介电层对器件性能的影响。结果表明,经过疏水性的PMMA修饰后器件性能较优,其饱和迁移率、阈值电压、开关比分别达到0.147cm~2V-1s-1,-13.1 V,1.5×10~5。以及使用十八烷基三氯硅烷(OTS)自组装单分子层(SAM)修饰Si O2栅介电层表面,研究OTS浓度以及OTS溶液浸泡时间对薄膜形貌以及OTFTs性能的影响。(2)使用原子层沉积(ALD)工艺制备Al2O3薄膜,研究工艺温度对50nm厚度的Al2O3薄膜性能的影响,结果表明,在300℃工艺温度下沉积的Al2O3薄膜性能较好,其表面均方根粗糙度(RMS)、介电常数分别为0.94 nm和8.9。并且通过制备不同厚度Al2O3薄膜来分析Al2O3栅介电层厚度与器件性能的关系,然后分别使用PMMA、OTS和OTS/PMMA双层结构来修饰Al2O3薄膜,研究不同修饰方法对Al2O3栅介电层OTFTs电学性能的提升效果。(3)利用水热法合成Ca Ti O3纳米颗粒,制备出介电常数范围在3.9~8.2的Ca Ti O3-PVP复合薄膜,结果表明Ca Ti O3-PVP复合栅介电层有效降低了OTFTs的阈值电压,当Ca Ti O3纳米颗粒浓度为6 wt.%时OTFTs的阈值电压下降至-0.6V。在聚酰亚胺(PI)衬底上分别制备Ca Ti O3-PVP和PMMA/Ca Ti O3-PVP栅介电层柔性OTFTs,然后对其在弯曲状态下进行电学性能的测试,研究弯曲半径对器件性能的影响。结果表明PMMA/Ca Ti O3-PVP栅介电层OTFTs的稳定性更佳,随着弯曲半径的变化,器件关态电流变化范围在-0.25~-0.43 n A之间,其饱和迁移率变化范围在0.003~0.007 cm~2V-1s-1之间。
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