导　　师： 彭俊彪

学科专业： H0903

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 华南理工大学

摘　　要： 场效应晶体管(ffet)一直被认为是现代电子学中应用最广泛的器件之一，在现代通信技术、计算机技术、自动控制技术以及光电集成技术等领域都发挥着非常重要作用。然而，传统的si基fet存在制备成本高、工艺复杂、不适宜柔性基底以及尺寸的自然极限等不足。随着有机半导体材料的发现及性能改进，一种新颖的、低成本的有机场效应晶体管(ofet)相继诞生，并因其具有制作温度低、易实现大面积、工艺简单、成本低廉、全有机可弯曲等特点将在平板显示、传感器、集成电路等领域具有广阔的应用前景而引起了广泛的关注。与小分子ofet相比，聚合物fet因具有机械性能好、热稳定性高、成膜方法简单经济以及特别适合于制备大面积的器件等特点成为发展聚合物fet的强大动力。因此，开展聚合fet的研究与开发不仅在发展有机电子学学科方面具有重要意义，而且对促进和发展光电产业及有机集成电路产业都具有深远的意义。 本文采用单晶硅外延片作衬底，干氧热氧化sio<,2>作绝缘栅介质层，分别以聚合物meh-ppv和p3ht作半导体层，金属au作源、漏电极成功地制备出聚合物薄膜晶体管(ptft)器件，且考虑到面向大面积应用需要，聚合物溶液配制、沉膜和器件性能测试都是在空气中完成。对器件性能进行了系统研究，对器件内部载流子输运机理进行了一定的探讨，并初步建立了聚合物tft器件的直流(dc)模型。 通过对器件的输出特性和转移特性测试，结果表明聚合物材料meh-ppv和p3ht都呈现p型半导体特性；meh-ppv-ptft器件显示出明显的饱和特性，场效应迁移率在3～8×10<'-5>cm<'2>/vs范围，呈现出负的阈值电压，空气中器件的开关电流比大于10<'3>。而p3ht-ptft。具有相对较高的场效应迁移率(10<'-4>～10<'-3>cm<'2>/vs)，空气中器件的开关电流比在10<'2>～10<'3>之间，并具有正的阈值电压，这主要是因为p3ht薄膜具有较高的本体电导率所致；研究还发现，当p3ht聚合物半导体层厚度减小时，迁移率有所增加，阈值电压减小，开关电流比增加。这主要是因为器件采用了顶接触型结构，半导体层厚度远大于导电沟道的实际厚度，源、漏电极两端的半导体层具有寄生电阻和电容的作用，从而影响器件的性能；另外，对聚合物薄膜进行氮气环境下适当温度下的退火处理对ptft器件特性有少许的改善作用。 通过对meh-ppv和p3ht两种聚合物材料制备的mis结构电容器的准静态电容。 电压测试发现，这两种聚合物材料与绝缘层sio<,2>所组成的mis结构体系呈现不同的电特性。meh-ppv-mis结构具有明显的c-v迟滞现象，且来源于慢界面陷阱态。而p3ht-mis结构体系未能观察到明显的迟滞现象，但c-v曲线中耗尽区存在一峰值，可以认为是由于聚合物能隙中的陷阱能级的充、放电所引起。本文还对聚合物半导体材料meh-ppv和p3ht所制备出的ptft器件的稳定性进行了较系统的研究，包括迟滞效应、栅应力效应、暴露在空气中的退化特性，并研究了表面钝化对器件性能的影响。研究结果表明，两种类型ptfr器件都呈现出迟滞现象，这是因为在聚合物材料内部及其界面处存在大量的深能级杂质、缺陷，这些杂质、缺陷在禁带中形成缺陷能级，在栅电压扫描过程会引起载流子被缺陷能级所陷阱或从缺陷能级中被释放，从而产生迟滞效应；meh-ppv聚合物tft在干燥空气中长时间搁置主要表现在载流子迁移率下降，这可能是由于meh-ppv薄膜在空气中氧的作用下使聚合物主链上的双键断裂所致。而p3ht聚合物tft在自然空气中短时间搁置就会引起漏电流的显著增加，阈值电压明显向正电压方向漂移，但载流子迁移率并没有发生变化，这主要是p3ht薄膜吸附空气中的水分子引起薄膜的电导率明显增加所致；研究还发现，通过对p3ht聚合物tft器件进行钝化处理可以有效地防止器件在自然空气中的退化，并能有效地提高器件的载流子迁移率、降低阈值电压和减小迟滞效应。 meh-ppv-ptft和p3ht-ptft器件都呈现出明显的栅应力效应。在栅应力作用下阈值电压明显向负电压方向漂移，但器件的场效应迁移率保持不变。通过对mos电容结构的准静态电容．电压分析可推知，这种栅应力效应是由于载流子空穴通过热电子发射进入到栅介质层附近并被缺陷态所陷阱所致。当在变栅应力作用，则存在着缺陷态能级陷阱载流子和载流子从缺陷态能级中失陷两过程交替发生，从而导致阈值电压的漂移方向依赖于栅应力的升降。基于载流子陷阱与缺陷产生机理，提出了ptft器件中栅应力效应模型，该模型模拟结果与实验数据符合较好。通过对p3ht聚合物tft温度特性研究发现，在室温到90 ℃范围，器件的迁移率随温度的升高而增大，表明载流子输运是一个热激发过程。 通过对meh-ppv-ptft和p3ht-ptft器件的光电特性研究可知，这两种聚合物薄膜在可见光范围都有较好的响应特性，但在亚阈值区和高于亚阈值区的光响应特性存在较大差别。在光照强度为1200 lux，对于meh-ppv聚合物tft，亚阈值区的最高光灵敏度(i<,ph>/i<,dark>)为215；对于p3ht聚合物tft，亚阈值区的最高光灵敏度为1.7×10<'3>。而在相同光照强度下，两种材料制备的ptft在高于亚阈值区的光灵敏度均小于2。随着光照强度的增加，ptft的阈值电压向正电压方向漂移，场效应迁移率保持不变，但当光照足够强或栅电压足够高时，迁移率有所减小。对聚合物tft器件中光电流形成及光电流放大机理进行了详细的分析与讨论。最后，研究了基于单一陷阱能级近似模型下的聚合物tft器件的直流(dc)模型，并模拟出器件特性。

关 键 词： 聚合物薄膜晶体管 场效应迁移率 稳定性 栅应力效应 光响应

分 类 号： [TN321.5]

领　　域： [电子电信]