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N型有机薄膜晶体管的制备及其电学性能研究

作　者: 苏永波
导　师: 谭力
学　校: 湘潭大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 绝缘层 自组装 真空蒸发镀膜 有机薄膜晶体管 载流子迁移率
分类号: TN321.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


有机薄膜晶体管被广泛应用于智能卡、电子射频卡、传感器、商品标签等领域。近年来对于有机薄膜晶体管（OTFTs）的研究已经达到了商业应用水平。由于有机薄膜晶体管具有室温制作工艺、生产成本低和性能优越等优点,使得其在商业市场中展现了巨大的潜力。本论文以PTCDI-8（N,N’-dioctyl-Perylene- 3,4,9,10-tetracarboxylic acid diimide）有机半导体材料为研究对象,制备了不同绝缘层的薄膜晶体管,并对其进行了性能表征,主要研究内容和实验结果概括如下:首先,探索了不同种绝缘层材料对有机薄膜晶体管的性能影响。采用SiO2绝缘层和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）/SiO2构造的双层绝缘层,通过自制真空镀膜仪,蒸镀制备了不同绝缘层的有机薄膜晶体管。采用半导体器件性能表征系统KEITHL EY 4200和开尔文探针仪对其性能进行了测试。并通过原子力显微镜（AFM）和X射线衍射仪（XRD）对其结构进行了表征。测试结果表明:通过测试有机半导体薄膜的功函数,获得了有机薄膜晶体管合适的金属电极;同时,我们也发现PMMA/SiO2双绝缘层器件比SiO2单绝缘层器件具有更优异的电学性能,这是由于PMMA/SiO2表面比SiO2表面的粗超度低,且有机半导体PTCDI-8材料在其表面具有较好的结晶性和有序性,从而有利于提高电子的传输。其次,研究了自组装硅烷单层薄膜对有机薄膜晶体管性能的影响。选用极性分子γ-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）和非极性分子n-丙基三乙氧基硅烷（PTES）两种自组装材料,在二氧化硅表面分别自组装这两种单层薄膜,充当二氧化硅绝缘层与有机半导体层之间的修饰层,并比较两种修饰层对有机薄膜晶体管性能的影响。结果表明,APTES和PTES修饰层增加了器件的载流子迁移率以及开关电流比,其中PTES修饰层还使器件的阈值电压明显降低。这表明自组装单层薄膜作为一种有机/无机杂化层,不仅改善了二氧化硅绝缘层的表面性能,还使有机半导体成膜质量更好,能有效地改善无机绝缘层与有机半导体层间的界面匹配性。此外,对于极性分子自组装薄膜作为修饰层的研究结果还表明,通过对分子末端基的设计,可以调控其表面上有机半导体层中的载流子密度。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章 绪论  10-22
  1.1 有机薄膜晶体管的研究历史  10-13
    1.1.1 有机薄膜晶体管在各领域应用  11-12
    1.1.2 目前有机薄膜晶体管研究局限性  12-13
  1.2 OTFTs 材料研究  13-16
    1.2.1 OTFTs 的有机半导体材料简介  13-15
    1.2.2 OTFTs 器件的电极材料  15
    1.2.3 OTFTs 的绝缘层材料  15-16
  1.3 OTFTs 的工作机理及性能参数  16-19
    1.3.1 场效应晶体管  16-18
    1.3.2 OTFTs 工作机理  18-19
  1.4 表征有OTFTs 电学性能的主要参数  19-20
  1.5 本文的选题依据和主要研究内容  20-22
    1.5.1 选题依据  20
    1.5.2 本文主要研究内容  20-22
第2章 真空蒸发镀膜仪器的制作  22-31
  2.1 真空蒸发镀膜仪的原理及设计图  22-23
  2.2 真空镀膜过程中的蒸发条件  23-24
  2.3 自制镀膜仪的不同蒸发源的工作原理  24-26
    2.3.1 电阻蒸发源的设计及原理  24-25
    2.3.2 电子枪加热蒸发源  25
    2.3.3 感应加热式蒸发源  25-26
  2.4 自制真空镀膜仪器的真空设备  26-28
    2.4.1 旋片式机械泵及其原理  26-27
    2.4.2 油扩散泵及其原理  27-28
  2.5 自制真空镀膜仪真空的测量  28-29
    2.5.1 热电偶真空计  28
    2.5.2 热阴极电离真空计  28-29
    2.5.3 仪器采用复合真空计  29
  2.6 自制真空蒸镀仪器  29-30
    2.6.1 自制真空蒸镀仪器的实物图  29-30
    2.6.2 真空蒸发镀膜的操作步骤  30
  2.7 本章小结  30-31
第3章 有机薄膜晶体管的研究  31-47
  3.1 引言  31
  3.2 材料的选取  31-32
  3.3 有机薄膜晶体管的制备  32-36
    3.3.1 器件制作流程  32-33
    3.3.2 有机薄膜晶体管的结构  33-34
    3.3.3 基片的清洗和栅极的制备  34
    3.3.4 绝缘层的制备  34
    3.3.5 有机半导体层和源漏电极的制备  34-36
  3.4 Si0_2 和Si0_2/PMMA 表面生长PTCDI-C8 的结构表征  36-38
    3.4.1 Si0_2 和PMMA/Si0_2 绝缘层上生长PTCDI-8 的AFM 分析  36-37
    3.4.2 Si0_2 和PMMA/Si0_2 绝缘层上生长PTCDI-8 的XRD 分析  37-38
  3.5 PTCDI-C8 的电子功函数测试  38-43
    3.5.1 电子功函数  38
    3.5.2 电子功函数的开尔文探针测试  38-41
    3.5.3 半导体PTCDI-C8 的电子功函数  41-43
  3.6 基于Si0_2 和PMMA/Si0_2 绝缘层的OTFTs 器件的电学性能  43-44
  3.7 无机、有机绝缘层对器件性能的影响分析  44-45
  3.8 本章小结  45-47
第4章 自组装绝缘层薄膜晶体管的制备及性能研究  47-57
  4.1 引言  47
  4.2 单层自组装薄膜的制备及其结构表征  47-51
    4.2.1 自组装薄膜的选材  47-48
    4.2.2 自组装薄膜的制备  48-49
    4.2.3 有机半导体薄膜的制备  49
    4.2.4 电极的制备  49-50
    4.2.5 自组装薄膜上生长PTCDI-C8 薄膜的AFM 分析  50-51
  4.3 多层自组装薄膜的制备及分析  51-52
    4.3.1 APTES 自组装多层膜的制备  51
    4.3.2 PTES 自组装多层膜的制备  51
    4.3.3 APTES 自组装多层膜的SEM 分析  51-52
    4.3.4 PTES 自组装多层膜的SEM 分析  52
  4.4 器件的电学性能测试  52-55
    4.4.1 自组装绝缘层器件的电学性能  52-54
    4.4.2 不同绝缘层器件的电学性能分析  54-55
  4.5 本章小结  55-57
第5章 总结与展望  57-59
  5.1 论文总结  57-58
  5.2 研究展望  58-59
参考文献  59-64
致谢  64-65
攻读硕士学位期间公开发表的论文  65

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 半导体三极管（晶体管） > 晶体管：按工艺分 > 薄膜晶体管
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