有机异质结场效应晶体管器件的性能研究

来源 :南京邮电大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sym1989
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自1986年报道第一个有机场效应晶体管(OFET)以来,经过近30年的发展,有机场效应晶体管的性能和制备工艺都有了很大的进步。与传统的无机半导体相比,有机半导体具有制备简单、廉价、大面积加工与柔性衬底相容等优点。因此它具有很广泛的应用前景,可以被应用于许多领域。当前有机场效应晶体管研究人员的主要工作是集中在器件的性能改善与优化上。相对而言,器件的多功能化研究较少。因此,本文的主要工作是集中在多功能化OFET器件的研究,具体研究内容如下:首先,本文描述了OFET的发展历程,讨论了研究OFET的意义及当前的研究进展,并对当前OFET存在的问题及未来的发展方向做了总结。其次,简要地介绍了一下OFET的基本结构以及它们的分类,接着详细地阐述了目前OFET常见的有机半导体层材料、绝缘层材料﹑衬底材料以及电极材料。此外,我们还以P型OFET为例,简单地介绍了OFET的基本工作原理,并给出了OFET的电学性能模型和一些基本的性能参数。在此基础上引入了有机半导体的几种电荷的传输机制。最后归纳了制备OFET薄膜常用到的制备工艺以及分析了它们的优劣。然后,我们制备了基于异质结结构的高性能N型F16CuPc/CuPc的OFET器件,其电子的迁移率为0.94×10-2cm2/Vs。这个数值远高于F16CuPc OFET的迁移率(迁移率为3.1×10-3cm2/Vs),同时器件能够一直保持在常开的状态。器件性能提高的原因是异质结界面处的偶极子层作用,本文针对这个异质结界面处的偶极子层进行了详细的分析。另一方面,器件借助MoO3修饰Au电极获得了双极性晶体管,电子和空穴的迁移率分别是2.5×10-3cm2/Vs和3.1×10-3cm2/Vs。通过深入的分析电极与半导体层接触面的电学性能的变化,我们把获得双极性晶体管的原因归因于接触电阻的降低以及电子注入障碍的增加。我们还采用了Pentacene/P13/Pentacene异质结结构制备了有机非易失型场效应晶体管存储器,器件呈现出良好的P型场效应特性,器件的迁移率、阈值电压和开关比分别是0.21cm2/Vs、4.4V和104。通过±120V写入和擦除的过程,器件的阈值电压可以实现可逆的变化,存储窗口超过80V。当应用不同的写入电压器件表现出良好的多阶存储特性,拥有2bit数据的存储能力,数据保持时间超过10000s都没有发生明显的衰减。这些良好的存储特性归因于器件在写入过后在P13和Pentacene界面形成稳定的偶极子层。本文针对这个偶极子层的存储作用进行了详细的分析。此外,光照也有助于这种偶极子层的形成,影响器件的阈值电压的变化。在此研究的基础上,我们又制备了基于柔性PET衬底的有机非易失型场效应晶体管存储器,器件也表现出良好的存储特性,存储窗口大约有40V,数据维持时间能够达到10000s以上。并且,当在弯曲半径为10mm弯曲次数达到10000次时,器件存储窗口几乎没有发生变化。最后,总结了全文并论述了异质结结构的OFET的发展趋势与应用前景。
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