聚合物薄膜晶体管稳定性及其机理研究

近年，以有机半导体材料为基础的有机/聚合物薄膜晶体管（OTFT）因其具有制作温度低、易实现大面积、工艺简单、成本低廉、全有机可弯曲等优势在平板显示、传感器、集成电路等领域具有广阔的应用前景而受到广泛的关注，取得了长足的进展，器件性能逐步接近应用水平。然而，器件的稳定性和可靠性问题已成为制约其应用的主要瓶颈，还有待于实现实质性的突破。.本项目以聚三己基噻吩(P3HT)为半导体活性层，研究聚合物薄膜晶体管（PTFT）的栅、漏应力效应及其机理，揭示P3HT-PTFT工作状态不稳定的内在因素及其机理，探索抑制应力效应的有效方法；研究空气环境下P3HT-PTFT的失效机理，探索表面诱导自包封技术，实现稳定的高性能聚合物薄膜晶体管。为实现一种低成本、易制作、高性能聚合物薄膜晶体管制备技术提供科学指导，为下一步开展OTFT-OLED集成研究、有机智能识别卡芯片研究奠定基础。

本项目研究了基于P3HT聚合物薄膜晶体管（PTFT）在工作状态下和在空气环境下不稳定性及其机理，探讨了多种提高器件稳定性的方法。 通过研究栅介质材料、栅介质层厚度和工作温度对P3HT-TFT栅、漏电压应力效应的影响规律，揭示了栅电压应力作用下的不稳定性主要来源于F-N隧穿效应引起的电荷陷阱，基于这一结果建立了常栅电压和变栅电压应力作用下该器件阈值电压随应力时间漂移的物理模型，该模型与实验结果基本一致；而漏电压应力作用下的不稳定性主要来源于有源层中空穴陷阱和缺陷态的产生；栅、漏电压应力作用下的不稳定性与初始的栅介质与半导体间的界面状况密切相关，优质的界面是提高工作状态稳定性的有效途径。采用OTS栅介质表面修饰不仅可以大幅度提高器件性能，而且可以有效改善器件在工作状态下的稳定性。通过I-V特性测试和XPS谱分析研究了P3HT-TFT器件曝露于自然空气、干O2、高纯水后器件的电特性和P3HT薄膜组分随时间的变化规律，揭示了该器件在空气中退化主要是因为器件表面空气中水分子的吸附导致沟道表面附近载流子导电性增强，而不是氧的p型掺杂所致；通过器件表面采用蜡作保护层和表面诱导自包封技术可有效地提高该器件在空气中的稳定性。通过对P3HT-TFT器件在可见光照射下的光响应特性的研究发现，P3HT-TFT器件的光响应度强烈地受到栅电压和光照强度的调控。在亚阈值区工作模式下，漏极电流随光照强度的增加而迅速增加，而在开态工作模式下，漏极电流随光照强度的增加而缓慢增加。在光照强度为1200 lux时，亚阈值工作模式下最大的光响应度为1.7×103，该结果采用本体电阻和沟道电阻并联模型得到很好的解释。这一结果表明，P3HT-TFT可作为光晶体管应用于光电探测领域。本项目的研究成果对于优化P3HT-TFT器件的制备工艺，改善器件的电性能和稳定性，拓展其应用领域都具有指导意义和应用价值。