具有“多位一体”复合修饰层的低功耗有机薄膜晶体管研制与机理分析

Organic thin-film transistor （OTFT）is a kind of electronic device which can control the electrical conductivity of organic semiconductor layer by changing the external electronic field. The OTFT has a very good use value and potential business opportunity. In fabricating of OTFT, in order to adapt the development of low power、high performance electronic products demand in the future, how can output high current at low work voltage is the crucial concern. By analyzing the electrical model of OTFT, these are three different resistances should be considered as the main factors to evaluate the OTFT. The three resistances are named as the contact resistance (Rc) between source/drain electrodes and organic active layer、the channel resistance (Rch) close to the surface of the insulating layer and the bulk resistance of organic film, respectively. Therefore, we want to design a new type OTFT which has multi-modified-layers and composite structure to reduce the resistance and improve the performance of device obviously. In detail, it can has multilayer composite electrode layers, induced modification layer upon insulating layer surface and internal composite modified layer which at the different position in organic active layer. Based on the fabrication process and simulation, the way may be found to solve the problem that influences the performance in OTFT. The operating mechanism of our device also should be clarified.

有机薄膜晶体管（OTFT）是一种通过改变外电场控制有机半导体层导电能力的电子器件，拥有很好的使用价值和潜在的巨大商机。在OTFT研制的诸多因素中，如何能够在低工作电压状态下输出高电流是保证OTFT适应未来低功耗、高性能电子产品需求的关键因素。通过对OTFT的器件电学模型进行分析，本项目以减小三种不同电阻，即源/漏电极与有机半导体层之间的接触电阻Rc、接近于绝缘层表面的导电沟道电阻Rch以及有机半导体薄膜本身的体电阻Rbulk为具体观测点，提出采用“多位一体”复合修饰结构来满足低功耗、高性能OTFT的需要。其主要特点是将多层功能修饰层包括多层复合电极修饰层、绝缘层表面诱导修饰层、有源层内部复合修饰层等同时放入OTFT的不同位置提高器件性能。通过该新型器件结构的设计最终期望能够获得低功耗、高性能的OTFT。另外，基于工艺和模拟仿真两方面获得该类型器件运行的主要物理机制和影响因素。

OLED显示屏已经广泛应用到了人们的日常生活中。因为将有机薄膜晶体管（OTFT）和OLED结合能够制做柔性可折叠的电子显示屏,因此，OTFT的开发具有巨大的市场价值。在OTFT研制的诸多因素中，如何能够在低工作电压状态下输出高电流是保证OTFT适应未来低功耗、高性能电子产品需求的关键因素。通过将多层功能修饰层包括多层复合电极修饰层、绝缘层表面诱导修饰层、有源层内部复合修饰层等放入OTFT的不同位置可以有效提高器件性能。课题通过新型器件结构的设计最终期望能够获得低功耗、高性能的OTFT。. 在实验中主要研究了异质结体系，例如C60/CuPc异质结和F16CuPc/Pentacene异质结、P-6P/Pentacene等，获得了一些实验关键结论。一是合理选择下层的修饰层可以有效促进其上生长的有源层生长质量，从而可以使得有机半导体层中载流子陷阱数量的减少。二是修饰顺序对于器件性能影响明显。例如通过Pentacene/F16CuPc和F16CuPc/Pentacene两种相反结构的研究表明，修饰顺序导致OTFT器件性能差别明显。三是绝缘层和有源层之间的修饰层厚度需要精确控制，因为异质结OTFT器件对于修饰层厚度非常敏感，连续的修饰层薄膜容易导致器件的关态电流迅速增加，因此需要制备的修饰层的厚度应该为既能产生一定的异质结效应以便增加载流子的数量，同时不能连续以避免关态电流的迅速增加的厚度。. 除此以外，还研究了两种 “夹心”结构，一是有机半导体层内部插入修饰层形成Pentacene /F16CuPc/Pentacene “夹心”结构，这种结构可以使得器件沟道电阻和体电阻减小，从而在阈值电压不变，关态电流量级不变的基础上提高迁移率，因而可以认为该结构是一种广泛使用的提高器件性能方法。另外一种“夹心结构”是在两种绝缘层中间插入新的一种绝缘层，形成例如“SiO2+PVP+PMMA”夹心型三层绝缘层结构，实验证明，即使是同一绝缘层/有机半导体接触界面，使用复合多层绝缘层的器件仍然能够提高器件性能，促进半导体层薄膜生长。. 实验还使用了silvaco软件进行了仿真建模，对部分结构建立了基础模型进行分析。. 在项目支持下， 课题组正式发表SCI论文5篇，申请发明专利2项，研究生参加国内学术会议一次，培养了2名研究生。