聚合物薄膜晶體管制備條件對其性能影響分析

謝應(yīng)濤，歐陽世宏，王東平，朱大龍，許 鑫，方漢鏗

（1.上海交通大學(xué) 電子工程系，上海 200240；2.TFT－LCD關(guān)鍵材料及技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

1 引 言

有機(jī)薄膜晶體管（Organic Thin－film Tran－sistors，OTFTs）［1－2］因其工藝簡單、成本低廉、易封裝、以及可大面積批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，使其在有機(jī)半導(dǎo)體器件的研究領(lǐng)域受到國內(nèi)外研究人員廣泛的關(guān)注，其應(yīng)用領(lǐng)域包括：智能卡、傳感器、無線射頻識別標(biāo)簽、平板顯示、電子紙等［3－6］。特別是聚合物有機(jī)薄膜晶體管可以通過更加價(jià)廉的溶液法工藝制備而成，近年來更是成為國內(nèi)外諸多課題組的研究對象。通常有機(jī)半導(dǎo)體對空氣較為敏感，呈現(xiàn)出空氣中不穩(wěn)定的特性，因此目前包括旋涂和退火等制備工藝均在惰性環(huán)境中進(jìn)行。基于這一認(rèn)知，目前幾乎沒有相關(guān)報(bào)道進(jìn)行研究器件制備環(huán)境對其性能的影響。

為了充分地了解聚合物有機(jī)薄膜晶體管的制備環(huán)境對其性能的影響，本文以一種高性能的稠合噻吩－吡咯并吡咯二酮聚合物為例［7］，在空氣和氮?dú)獾牟煌h(huán)境下旋涂和退火有源層制備薄膜晶體管，并通過對比其電學(xué)特性研究制備環(huán)境對器件特性的影響。結(jié)果表明在空氣和氮?dú)庵行康木酆衔锉∧ぞw管的特性幾乎完全相同，但是在氮?dú)猸h(huán)境下退火的器件的飽和遷移率是在空氣中退火的器件的兩倍多，并且這一結(jié)論在100°C～190°C的退火溫度均適用。這一結(jié)論為制備聚合物有機(jī)薄膜晶體管降低了門檻，也為進(jìn)一步降低聚合物有機(jī)薄膜晶體管的制作成本提供了可能。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 聚合物半導(dǎo)體溶液配制

本文的聚合物半導(dǎo)體材料由康寧公司提供的稠合噻吩－吡咯并吡咯二酮聚合物半導(dǎo)體（PTDPPTFT4），分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。以5mg／mL的濃度溶于 1，2，4－三氯苯（Trichlorobenzene；TCB）有機(jī)溶劑，置于120°C熱板上加熱攪拌2h以便充分溶解。圖2給出了有機(jī)薄膜晶體管的器件結(jié)構(gòu)示意圖，其中基板為N型重?fù)诫s單晶硅硅片，由于其具有良好的導(dǎo)體特性，因此通常作為薄膜晶體管的柵電極。

圖1 PTDPPTFT4的分子結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Molecular structure of PTDPPTFT4

2.2 聚合物薄膜晶體管器件制作

本文采用底柵頂接觸的OTFT結(jié)構(gòu)（如圖2所示），溝道的寬度為W＝1 000μm，長度L為50 μm、100μm、150μm三種尺寸。其中襯底為13 mm×13mm的N型重?fù)诫s單晶硅硅片（n＋＋Si＜100＞）。硅片上帶有熱生長法形成的200nm厚度二氧化硅層，作為柵絕緣層。第一步，清洗。硅片首先在CMOS級的丙酮與異丙醇進(jìn)行各自15min的超聲清洗，以去除表面的有機(jī)雜質(zhì)和較小的顆粒物，最后用氮?dú)獯蹈伞５诙剑砻嫘揎棥悠方菰谛粱裙柰椋∣TS－C8）和二甲苯混合溶液（體積比1∶100）中1h，使其對二氧化硅進(jìn)行表面修飾。第三步，分別在空氣和氮?dú)庵行縋TDPPTFT4作為有源層，轉(zhuǎn)速均為1 000r／min旋轉(zhuǎn)60s。第四步，將制備好的樣品分別在空氣和氮?dú)庵蟹謩e進(jìn)行退火20min，退火溫度在100～190°C。最后在5×10－6torr（1torr≈133Pa）的真空下通過金屬掩膜板熱蒸鍍一層40～50nm的金作為源漏極，金的蒸鍍速率約為0.03～0.1nm／s。

圖2 薄膜晶體管的器件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of organic thin film transistor

3 結(jié)果分析與討論

通過上述實(shí)驗(yàn)過程，我們制備出了4種不同條件下的底柵頂接觸OTFT器件，分別為：器件A：空氣中旋涂，氮?dú)庵型嘶穑黄骷﨎：空氣中旋涂，空氣中退火；器件C：氮?dú)庵行浚諝庵型嘶穑黄骷﨑：氮?dú)庵行浚獨(dú)庵型嘶稹Ｋ袠悠冯妼W(xué)曲線均在空氣中采用Keithley 4200SCS半導(dǎo)體測試儀測試得到。

3.1 旋涂環(huán)境對器件性能影響分析

首先研究旋涂環(huán)境對器件性能的影響，退火環(huán)境為空氣情況下，旋涂環(huán)境分別為空氣和氮?dú)猓骷﨎和器件C的轉(zhuǎn)移特征曲線如圖3（a）所示。

從圖中可以看出，在空氣中旋涂的器件B相對于在氮?dú)庵行康钠骷﨏盡管具有更小的遲滯和更低的關(guān)態(tài)電流，以及略小的開態(tài)電流，但是從遷移率來看，兩種器件的飽和遷移率幾乎不變，如表1所示。

表1 在空氣中退火時(shí)不同旋涂環(huán)境下電學(xué)參數(shù)比較結(jié)果其中W／L＝1 000／100μmTab.1 Comparison of performances of devices B and C with W／L＝1 000／100μm

圖3 相同退火環(huán)境下，不同旋涂環(huán)境下的器件轉(zhuǎn)移特征曲線比較圖Fig.3 Comparison of transfer characteristics

同理，在氮?dú)庵型嘶穑诳諝夂偷獨(dú)庵蟹謩e旋涂有源層。圖3（b）描述了在氮?dú)庵型嘶饡r(shí)，在空氣中旋涂的器件A和在氮?dú)庵行康钠骷﨑的轉(zhuǎn)移特征曲線。從圖中可以看出，兩種器件的轉(zhuǎn)移特征曲線Id－Vg和sqrt（Id）－Vg兩種曲線幾乎完全重合。提取出來的電學(xué)參數(shù)如表2，我們可以看出飽和遷移率，閾值電壓和電流開關(guān)比幾乎也是相等的。通過上述實(shí)驗(yàn)的比較，我們可以得出結(jié)論：在退火環(huán)境相同的情況下，旋涂環(huán)境對器件的性能影響較小，在氮?dú)猸h(huán)境退火尤其如此。

表2 在氮?dú)庵型嘶饡r(shí)不同旋涂環(huán)境下電學(xué)參數(shù)比較結(jié)果其中W／L＝1 000／150μmTab.2 Comparison of performances of devices A and D with W／L＝1 000／150μm

3.2 退火環(huán)境對器件性能影響分析

在旋涂環(huán)境相同的情況下，比較在空氣中退火和在氮?dú)庵型嘶鹌骷阅艿淖兓Ｔ诳諝庵行康那闆r下，在空氣中退火的器件B和在氮?dú)庵型嘶鸬钠骷嗀的性能比較如圖4（a）所示。從圖中，可以看出在空氣中退火的器件B相對于在氮?dú)庵型嘶鸬钠骷嗀，盡管關(guān)態(tài)電流和遲滯幾乎相同，但是其開態(tài)電流大幅減少。從其提出出來的電學(xué)參數(shù)來看，如表3所示。在溝道長寬相同情況下，在氮?dú)馔嘶鸬钠骷嗀飽和遷移率為0.507 cm2·V－1·s－1，而在空氣中退火的器件B飽和遷移率卻為0.223cm2·V－1·s－1，其遷移率不到器件A的一半。因此可以說退火環(huán)境對器件的電學(xué)特性具有至關(guān)重要的影響。

圖4 相同旋涂環(huán)境下，不同退火環(huán)境的器件轉(zhuǎn)移特征曲線比較圖Fig.4 Comparison of transfer characteristics

表3 在空氣中旋涂時(shí)不同退火環(huán)境下電學(xué)參數(shù)比較結(jié)果其中W／L＝1 000／150μmTab.3 Comparison of performances of devices A and B with W／L＝1 000／150μm

同理，比較在氮?dú)庵行浚诳諝庵型嘶鸬钠骷﨏和在氮?dú)庵型嘶鸬钠骷﨑，其對應(yīng)的轉(zhuǎn)移特征曲線如圖4（b）所示。從轉(zhuǎn)移特征曲線可以看出，氮?dú)庵型嘶鸬钠骷﨑的開態(tài)電流遠(yuǎn)大于空氣中退火的器件C，其表現(xiàn)的現(xiàn)象與上述器件B與器件A對比類似，對應(yīng)的電學(xué)參數(shù)如表4所示。在氮?dú)庵型嘶鸬钠骷﨑的飽和遷移率是空氣中退火的器件C的飽和遷移率的兩倍多。

因此，從上述對比結(jié)果來看，我們可以得到如下結(jié)論：在相同的旋涂環(huán)境下，在氮?dú)猸h(huán)境退火的器件遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于在空氣中退火的器件。為了更好的說明上述結(jié)論，我們進(jìn)一步對比了不同退火溫度情況下的上述器件的平均飽和遷移率，如圖5所示。退火溫度在100～190℃時(shí)，在相同旋涂環(huán)境下，氮?dú)馔嘶鹌骷强諝馔嘶鹌骷倪w移率的兩倍多；在相同的退火條件下，空氣旋涂和氮?dú)庑康钠骷阅芟喈?dāng)。這一結(jié)果更加充分地說明了先前的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

表4 在氮?dú)庵行繒r(shí)不同退火環(huán)境下電學(xué)參數(shù)比較結(jié)果其中W／L＝1 000／150μmTab.4 comparison of performances of devices D and C with W／L＝1 000／150μm

圖5 不同退火溫度條件下，A，B，C，D四種器件的飽和遷移率對比圖Fig.5 Comparison of mobilities of four devices with various annealing temperature

圖6 不同退火環(huán)境情況下的接觸電阻圖Fig.6 Comparison of contact resistance in N2and air annealing

4 結(jié) 論

本文基于溶液法在不同環(huán)境下制備出四種聚合物薄膜晶體管，通過比較其轉(zhuǎn)移特征曲線和電學(xué)參數(shù)特性，進(jìn)而說明制備工藝中的旋涂和退火工藝對器件性能的影響程度。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在空氣中旋涂的器件與氮?dú)庵行康钠骷柡瓦w移率幾乎相等，說明旋涂環(huán)境對器件的影響幾乎可以忽略；但是在空氣中退火的器件只有氮?dú)庵型嘶鹌骷娘柡瓦w移率的1／2，這一結(jié)果表明退火環(huán)境對器件的影響至關(guān)重要。

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