PHT有機薄膜晶體管的制備與研究

PAGE分類號： ?????????密級：UＤC:???? ? ?? 編號:P3ＨＴ有機薄膜晶體管的制備與討論FＡBＲＩCATIONANＤINVESTＩGATIOＮOＦP３HＴORＧAＮICTHIN－FIＬMTＲＡNSＩSＴOＲＳ學位授予單位及代碼：長春理工高校(101８6)學科專業(yè)名稱及代碼:微電子學與固體電子學(080903)研究方向：電子薄膜與MＥMS技術申請學位級別:碩士指導教師：王麗娟宋德研究生:胡海琛論文起止時間：20０９.11—２０１０．12長春理工高校碩士學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所呈交的碩士學位論文，《Ｐ３HＴ有機薄膜晶體管的制備與討論》是本人在指導老師的指導下，獨立進行討論工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內容外,本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的討論做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人擔當。作者簽名:年月日長春理工高校學位論文版權使用授權書本學位論文作者及指導老師完全了解“長春理工高校碩士、博士學位論文版權使用規(guī)定”，同意長春理工高校保留并向中國科學信息討論所、中國優(yōu)秀博碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫和ＣNKI系列數(shù)據(jù)庫及其它國家有關部門或機構送交學位論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權長春理工高?？梢詫⒈緦W位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，也可采納影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編學位論文.作者簽名:年月日指導導師簽名:年月日摘要用有機材料制備的有機薄膜晶體管具有成本低、柔性、能夠大面積制備等優(yōu)點，在有源平板顯示行業(yè)顯示出了極大的應用潛力，成為新一代柔性顯示器研發(fā)最為關鍵的一步。在掌握了充足的理論知識的基礎上,我們開展了對Ｐ3HＴ有機薄膜晶體管的討論.采納可溶液加工的旋涂的工藝方法,制備了不同溶液濃度,不同有源層厚度條件下的P3HT薄膜，成功地制備出具有開關特性的Ｐ3HT有機薄膜晶體管。并且通過原子力顯微鏡對薄膜進行表征，對不同薄膜之間的差異做出了分析，為進一步的實驗奠定基礎.本論文還討論了退火對有機薄膜晶體管的影響，實現(xiàn)了在1６0℃真空條件下退火對器件性能的很大提高.關鍵詞：P3HＴ有機薄膜晶體管旋涂退火ABSＴＲAＣTTｈeoｒｇａｎiｃｔhiｎ—filmtrａnsisｔor,madｅｏｆorgａｎiｃmateｒiａｌs,ｈaｖｉｎｇtheａdvantageoflow—coｓt、ｆｌｅxｉbiｌityａndpreｐaratioｎofｌaｒｇe—area,hａsｓhｏｗnagrｅaｔｐotｅntｉaltoａpｐlyｏntheflat－paneｌdisｐlａyaｎdbecometｈemｏsｔcruｃialsｔeｐｉndｅvｅlopingｆlexiｂｌedｉｓｐlay。Ｏnｔheｂasisofｓufｆｉｃientｔｈeoretｉcａlknoｗlｅdｇe，ｗｅcarriedoutthｅｒeｓeａrｃhoｎＰ3ＨToｒganicthｉn－filｍtrａnsisｔoｒandpreｐareｄthｅP3HTorgaｎictｈｉn-fｉｌmtｒaｎｓiｓtｏｒssuｃceｓsfuｌlyinｔhewayofsｏluｔioｎｓｐiｎ－cｏatｉngｕnｄｅrｄｉｆfｅrentconditionｏｆｓolutｉｏnconｃeｎｔｒａt(yī)ｉoｎandacｔivｅｌaｙｅｒ’sfiｌmtｈiｃkｎｅss.Byａt(yī)oｍiｃforcｅmｉｃrosｃｏpｅ，wetesｔｅｄtｈefiｌｍthickｎesｓandaｎａlyｚｅｄthｅinfｌｕｅnｃｅｏｆdｉfｆeｒeｎcefｉlmｔhiｃknessｏntｈｅpｅrforｍａｎｃeｏfP３HTthiｎ-ｆiｌｍtransiｓtoｒ，layｉngthｅfouｎdatiｏnｓforｆｕｒtｈerexｐｅrimｅnts。Ａｔtｈesａmetime，tｈepａperaｌｓosｔudiｅdtheinfｌuenceoｆaｎnealingｏnthedｅｖiｃes，Ｗｅgｒeａｔｌｙimproｖｅｄｔheｐeｒｆorｍanceofｄeviｃesthrｏｕｇhaｎｎealingforoｎehouｒuｎｄertｈeconｄitionsof1６0℃vａcuum．Keｙｗoｒds：Ｐ3HTOrgaｎicThinＦiｌmTraｎｓistoｒｓSｐinCｏａt(yī)inｇAnneaｌｉng目錄摘要ＡBＳＴRAＣT目錄第一章緒論。..．．.．．。。．．．．.．。.。。.．。．．.。。.。。。.．。．.．.．。。．.．.。．．。１1．1引言．．。.．。．...。。。..．。.．．..。。．。..．．．．。．.。．。。.。。。．.1１.2有機薄膜晶體管的討論意義．。．。.。．．.。。.．．．.．．．.．...。．。．..．.．。11.3有機薄膜晶體管進展及其應用.．．．．．．。．..．.。．。。.．...．.。。．．．．。.31。４Ｐ3HT有機薄膜晶體管的進展．。。．。..。..．。。..。。。。.．。。。．.。．..．。.６1.５論文討論的主要內容..。。。..。．．．.．.。．．。．..．.．．..。。.．。．.．．．。．．8其次章有機薄膜晶體管的制備.．．。。.．．.．．..．。.。.。．．．。。..。.．.。...。。92。1有機薄膜晶體管的工作原理.。。。。。.。.．。.．。．。。．．。．.．．。．。．．.。。。．９2。２有源層的制備工藝.．..．。。．．..。。．.．．．.．。。。．．．．。...．.．.．.．.。．。122．3有機薄膜晶體管的結構.。。。。．.．．．．．.。.。.．。．．.。．。．。.．。.．．．。．。.１4２.4Ｐ3HT有機薄膜晶體管的制備．。．．．。．．。。.．...。。。。．。.。．．.．。。。．.。１6第三章溶液旋涂法薄膜晶體管的測試與表征。．。。.．．。。。。．．..．。。．。。。.．213.1不同濃度下P3ＨT有機薄膜晶體管的性能．．。..．。。。..。。。．.．。.2１3.2測試數(shù)據(jù)分析。．。．．．．.．.．。..．．．。．．..。.．．．。。。。．．。。。.．。。．。..。．2８3。3Ｐ3HＴ有機薄膜的原子力表征..。。...．．。。．.．．．．。。．.．。．．．。.。.。。．293．4原子力掃描圖像分析。..。.。。．。.。。。．．．.。。.．。．．．。．。.．。。。。。.．．．．3３第四章退火對有機薄膜晶體管的影響。.．。．．．。.。.．。。．.。...。..．.。。．．.354．1退火的定義及試驗方法。．...。．．.。。。。．。。。。。．．．。。。..．。。。.。．.．．．3５4．2N2條件下退火。.。．。。。.。.．。．...。。.。。。。。。．．。．.．．...．。。．。。。.．.．354。３真空條件下退火。。。．..。．。。。．。。．.。．．.．。．．。．.。.．．。.．。..．。．．．.．４54。４實驗數(shù)據(jù)的總結。．．．。。.．．。。．.．。.．。.。.。．..．..。.．...．.。．.．．。．。534。5不同條件下退火效應的分析。.。.．。..。。.。。。．。。．.．．．．...．.。..．。．54結論。．．。.．。。.。..。.．。..．．..．。．．.．．。.。...．．．.。.．。．。．．．．。．56致謝．。。。。．。.．。．．．.．.．。.。.。．。.。.。．。．．．.。...。．.．．。．．..。．．．．。．５7參考文獻．..．.．．。。.．。.。。..。．．。.．。。..。.．。.．。．。..．．．..．.。。.５8PAGE59第一章緒論１。1引言首先我們先了解一下什么叫做“場效應”,人們通常把利用半導體表面垂直電場來掌握半導體的導電能力隨著這個垂直電場強度大小的變化而變化的現(xiàn)象稱之為“場效應"。利用“場效應”原理人們發(fā)明白場效應晶體管，并且場效應晶體管現(xiàn)在已經(jīng)成為了超大規(guī)模集成電路及顯示器件中的核心元件,是現(xiàn)代電子科技中不行缺少的元件。晶體管按工作原理可以分為兩大類【1】:雙極型晶體管和場效應晶體管（也叫單極型晶體管）兩大類。雙極型晶體管是電子和空穴兩種載流子都參加導電,而場效應晶體管只是電子和空穴中的一種載流子參加導電，所以也稱之為單極型晶體管。依據(jù)結構的不同，場效應晶體管又分為MEＳFＥＴ(Ｍeｔal－SｅmｉｃoｎｄuｃtorFＥT,金屬－半導體場效應晶體管),JFET（PNJunｃｔiｏｎＦEＴ，ＰN結型場效應晶體管),ＭＯSＦET（ｍetal—ｏxiｄe-sｅｍｉconｄuctor，MOＳＦEＴ）三種，但由于結構的不同，所用的材料和制備工藝也有所差別，但都屬于“場效應”的原理。其中MＯSＦET是在我們現(xiàn)實生活中應用最為廣泛的晶體管。由于其具有功耗小，噪聲低，阻抗高,體積小,熱穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，所以成為了超大規(guī)模集成電路和顯示器件中最重要的器件。場效應晶體管按其制備過程中所應用的有源層的材料分為兩類:一類是無機場效應晶體管，主要材料為氫化非晶硅(a-Sｉ:Ｈ)和（polｙ-Ｓi)，另一類為有機場效應晶體管(ＯrgaｎiｃＦｉｅｌdEｆfｅctTranｓｉstｏr,ＯＦEＴ)。有機場效應晶體管就是采納有機半導體材料作為有源層，即作為半導體導電層的場效應晶體管。由于這種場效應晶體管都是以薄膜的形式制備的器件，因此也把這種器件叫做有機薄膜晶體管(OrganｉｃＴhiｎ—ＦilmＴrａnsistor，OＴFＴ）【２】－【5】，是基于無機的(MOSFEＴ）進展而來的。在下面的章節(jié)中為了便利，統(tǒng)一的把有機場效應晶體管(OFET）稱為有機薄膜晶體管(OTFT），而無機薄膜晶體管稱為TFT。1。2有機薄膜晶體管的討論意義盡管有機薄膜晶體管是以無機薄膜晶體管為基礎進展起來的,有著區(qū)分于無機薄膜晶體管的新特點:1)OTFＴ的有源層制備工藝更為簡潔,制備技術種類更多、更新。無機薄膜晶體管的有源層材料一般為非晶硅薄膜ａ-Ｓi：Ｈ，用等離子化學氣相沉積的方法制備。有機薄膜晶體管的有源層材料制備除了可以采納傳統(tǒng)的真空蒸鍍的方法外,還可以采納旋涂(ｓpｉn－coaｔｉｎｇ）、提拉、滴涂(ｄiｐiｎg)、分子自組裝（self-assemble)、Langｍuiｒ—Ｂlodgett(ＬＢ）技術、噴墨打印印刷（ｐｒinting）技術等非真空的溶液成膜技術.這些成膜技術是無機材料所無法比擬的，制備工藝簡潔，可以大規(guī)模成膜，使得器件的制備更加的適合工業(yè)化。2）ＯTFT的有源層材料更為廣泛。無機薄膜晶體管的有源層材料目前一般為氫化非晶硅（a—Si：Ｈ）和多晶硅（polｙ－Ｓｉ)兩種材料。而ＯＴFT的有源層材料卻是十分的廣泛，并且進展?jié)摿Υ?Ｐ型有機半導體材料就有幾百種，并且穩(wěn)定性較好，在制備ＯＴＦＴ和驅動有機發(fā)光二級管上有很大的優(yōu)勢.本文所討論晶體管的有源層材料“P3HT”就是屬于P型的有機半導體材料.N型的材料相對較少但是也有上百種。而且有機材料可以通過合成的方法得到其衍生物,這就更加的增加了有機材料的種類。因此,有機材料的種類要大大的高于無機材料。3）OＴFT的制作成本很低。無機薄膜晶體管采納的氫化非晶硅材料在空氣中容易氧化，因此在制備晶體管的過程中需要使用格外精密簡潔的真空設備,而且要采納特殊氣體(如硅烷等)，這些特氣的成本很高。制備完有源層后與進行下一步工序之間還必須采納避開氧化的保護性的清洗技術,也加大了加工成本。ＯTＦT可以使用很多的非真空方法進行制備，并且大部分的有機材料的成膜過程中不需要特殊氣體的保護，所以可以大幅度的降低加工成本。4）ＯＴＦＴ自身具有很好的柔韌性,可實現(xiàn)柔性顯示.無機薄膜晶體管中的氫化非晶硅、多晶硅等薄膜的制備溫度高達400℃,通常制備在無堿玻璃上，很難制備在塑料、聚合物等柔性襯底上，難以實現(xiàn)柔性顯示.而有機半導體材料制作溫度都是在1８0℃以下，可以制作在塑料、聚合物等柔性的襯底上，因此這種“全有機”的器件能完全的實現(xiàn)柔性顯示【６】【7】,能夠彎曲便利攜帶，使得OTＦT具有很好的應用前景。５)OTFT可以用來制備大面積器件,具有良好的光學性質。無機薄膜晶體管由于制備工藝的限制，很難實現(xiàn)大面積的顯示面板的制備。且有源層材料的氫化非晶硅是一種對光十分敏感的材料，遇到光照時材料會劣化而變性，因此制作器件時需要黑矩陣等來阻擋光的照耀.而OTFT制備工藝的多樣化和十分簡便的優(yōu)勢，易實現(xiàn)大面積器件的制備，如大面積顯示面板、電子紙、電子標簽、智能卡等的制備及應用。且OTFT的有源層材料具有比較好的光學性質，在光的照耀下，器件的性能大多不會發(fā)生明顯的變化。６）OＴFT具有良好的電學性質有機材料的原子和其自身官能團可以通過化學的方法在其分子鏈上進行連接或者截取,達到修飾的目的,或者是直接進行化學摻雜，這些都能轉變材料的電學特性。這樣可以采納修飾和摻雜的方法對器件進行優(yōu)化，使得器件的性能達到要求。這種優(yōu)勢也是無機的材料所無法比擬的.綜上所述,OTFT占有廣泛性的應用領域和其巨大的市場潛力,并且將主導下一代顯示-—柔性顯示.另外有機太陽能【８】(orgaｎｉｃpｈotｏvｏltaiccｅｌｌs）、有機發(fā)光二極管【９】(ｏrgaｎiｃｌｉghｔ—emiｔｔingｄｉodｅs)、光波導【1０】（wａｖｅguide)、有機光電探測器等有機電子器件的制備和應用也向世人展現(xiàn)了有機半導體材料制備的有機電子學器件的寬闊誘人前景。我們期望著有機電子器件盡快的應用于工業(yè)生產，取代無機的電子器件時代,使得人們的社會文化生活更加的豐富多彩,使人類的文明再向前邁出了一大步。1。3有機薄膜晶體管的進展及應用在1９6４年G.H．Ｈeilmeier等人第一次發(fā)現(xiàn)酞菁銅薄膜有機半導體材料具有場效應特性【1１】.在19８3年,F.Ｅbiｓａwa在聚乙炔薄膜中又一次觀察到了場效應現(xiàn)象【12】。在198４年,在部花青薄膜中測出了1。5×１０-5cm２／Vｓ場效應遷移率【１３】.但是直到１９8６年，真正意義上的有機薄膜晶體管才問世,是由日本的Tsuｍurａ等人制備而成的，有源層材料是利用電化學方法制備的聚噻吩【1４】。其主要的器件性能參數(shù)為遷移率1０—5cm2／Vｓ，開關電流比為１０３,閾值電壓-13V.從那以后有機薄膜晶體管便引起了全世界廣泛的關注，各種有機材料的有機薄膜晶體管相繼問世，并不斷的進展。上個世紀的有機電子學可以說是并五苯電子學（peｎｔａｃene）的時代。到目前為止并五苯仍然是討論最為廣泛,場效應遷移率最高的有機半導體.器件性能也始終在不斷提高。其OTFT遷移率也得到了很大的提高，已經(jīng)遠遠超過商業(yè)化的非晶硅。Ｙ.Y.Ｌin等【15】通過采納在不同的溫度下生長雙層并五苯作為器件的有源層,測試得出器件的遷移率達到1．５cm２/Ｖｓ，開關電流比達到108.D。J.Gunｄｌach等人【16】制備的并五苯ＯTＦT遷移率達到了2。1ｃm2/Vｓ，開關比大于１05。SNYDERJohｎP等人【17】制備的OTFT,器件的遷移率達到了３５cｍ2/Vs,而且如果將器件測試的條件轉變?yōu)榈蜏兀?５K時，遷移率會提高至58cｍ2/Vs。此OTFＴ有源層采納的是并五苯的單晶。但是并五苯材料在光照或水氧的環(huán)境下化學穩(wěn)定性不夠好，并且有源層的制備多采納真空蒸鍍的方法，限制了它的進一步實際應用。其它有機材料的薄膜晶體管還有齊聚噻吩（ｏｌigｏｔhiｏphｅne)ＯTFT,是由Ｈｏrｏwiｔz等人于19８９年首先報道的【5】。這也是第一個采納共軛小分子的作為有源層的OＴFＴ?？昭ㄟw移率達到10－３cｍ２/Vｓ,實現(xiàn)了真正意義上的有用型OTFＴ.齊聚噻吩的特點是可通過化學合成的方法,轉變其分子鏈的長度，從而能夠轉變其分子能級等物理特性。Ａkimiｃhil等人【18】在１99１年對取代的齊聚噻吩其分子結構的有序度對遷移率的影響進行了討論,討論結果發(fā)現(xiàn)端基被取代的齊聚噻吩比端基沒有被取代的遷移率提高了兩個數(shù)量級,為人們通過轉變有機分子的官能團和化學修飾的方法來提高有機材料的電學特性供應了思路.Dｏdａｂａlapurl等人【19】在１99５年第一次應用a－6Ｔ/c60的異質結結構制備了OTＦT，遷移率達到了0。3cｍ２/Vｓ.接著下一年Hoｒowiｔz等人【20】利用6T的單晶制備成功OTFT，其遷移率達到了0。１cm2／Vs。19９8年,Z．ｂao等人【21】制備的全氟代酞氰銅OTFT遷移率達到了0。03cm２／Vs,開關比為5×1０4.2000年，有機材料DHＦ-6T作為有源層制備的ＯＴＦＴ【2２】,遷移率達到了0．０2cm2/Vｓ,開關比為1０5。2００1年，P.R．Ｌ.Ｍａｌenfant等人【２3】利用PTＣDI－Ｃ８制備的異質節(jié)OTＦＴ遷移率達到了0.6cm２／Vs，開關比為１0５。20０3年，V．Ｐodｚｒｏv等人【２4】利用Rubrene（紅熒烯)的單晶材料做為有源層制備的OTFT遷移率達到了8cm2/Vs，開關比為105。２0０4年,Ｖ．Ｃ.Sundar等人【２5】在V。Podｚrｏｖ討論的基礎上利用這種材料的單晶制備0TFＴ，其器件的遷移率達到了15．4ｃｍ２/Vｓ。200５年M。M.Paynｅ等人【２6】利用Funcｔｉonａlizeｄanthｒａdithｉｏphene作于有源層材料，采納溶液法制備的0TＦT遷移率達到了1cm２/Ｖｓ,開關電流比為1０7。2006年，H．Meｎg等人【２7】利用2，６—Bis［2—（4-ｐｅntyｌｐhｅnyl)vinyl］制備的0ＴFＴ遷移率為１.２8ｃｍ2/Vｓ，開關比為1０７。2007年Ｈ.Ｗａnｇ等人【28】利用Vａｎadｙl—phtｈaｌocyａnｉｎe（v）制備的0TFT器件的遷移率為1。5cm2/Ｖs,開關比為106。2008年,SungKyuPａrk等人【２９】利用旋涂工藝，采納的是ｄiF－TＥSＡDT作為有源層半導體制備的OＴＦT遷移率達到了1。5cｍ2/Ｖｓ。20０9年，YiCheｎ和ＩshiangShiｈ【3０】采納紅熒烯單晶材料作為有源層制備的0TFT,器件的遷移率達到了2．4cm2／Ｖs,開關電流比達到1０６。2010年，ＭyｅoｎｇJiｎＫａnｇ等人【31】將半導體材料DＮＴＴ烷基化，合成新的半導體Cn–ＤNTTs，并將其應用在有機薄膜晶體管中作為有源層材料，采納真空蒸發(fā)的方法成膜，制備的有機薄膜晶體管的遷移率驚人的達到了8cｍ2/Ｖs。在國內,中國科學院長春應用化學討論所、清華高校和吉林高校等為代表的討論單位，對有機薄膜晶體管的討論工作中也取得了長足的進步，部分可以超越和國外的討論單位。其中,清華高校邱勇教授的討論小組利用旋涂絕緣層，利用并五苯材料作為有源層制備的OTＦＴ，遷移率達到了2.１×１０-2cｍ2／Vｓ，開關比提高至105。長春應用化學討論所閆東航組的酞菁化合物的討論開頭于１99７年，從薄膜生長到器件結構，從材料選擇到器件制備都取得了重要的結果，推動了酞菁類化合物OTFＴ有用化進程.主要成果有：夾心型OＴFT、共混方法蒸鍍酞菁復合物、電接觸材料、弱外延生長酞菁化合物等等.目前制備的酞菁氧釩多晶薄膜的遷移率已經(jīng)超過了３.5ｃm２/Ｖs，已經(jīng)能夠驅動ＯLEＤ發(fā)光，引起了世界各國科研機構的關注。由此我們可以看到從上個世紀八十年月到現(xiàn)在,有機薄膜晶體管得到了飛速的進展，各種有機材料被應用作為器件的有源層獲得了長足的進展。很多有機材料OＴFT的性能已經(jīng)超過或接近ＴFT,信任不遠的將來ＯＴFT就會得到大規(guī)模的生產和應用。由于OTFＴ自身的特點,可以作為開關元件應用在顯示器（activemａt(yī)rｉxｄispｌay）、電子紙和傳感器方面,也有用于柔性襯底的大規(guī)模集成電路中,如電子紙、無線電子鑒別標簽、電子條碼、智能卡等器件中的應用。早在1998年,Ｄodaｂaｌａpuｒ等人就利用OＴＦT驅動有機發(fā)光二極管制備成功有機靈能像素。同一年Drury等人將OTFT應用在集成電路中，完成了全塑型集成電路的制備。2000年Ｃroｎe等人利用OTFＴ為基礎,完成了大規(guī)?；パa型集成電路的制備。如圖１.１為200１年Philiｐｅ公司制作的第一塊以聚噻吩乙烯撐預聚物（polｙｔｈieｎylenｅvinyｌene)為有源層的OTFＴ作為驅動開關的液晶顯示屏。其中OTＦT的遷移率達到1.5cｍ2/Ｖs，開關比為4×１０4，顯示屏的大小為２英寸，像素為６4×64。如圖１．2為２004年該公司制備成功的基于柔性基底的液晶顯示屏。尺寸為3．5厘米×3。５厘米，像素為5４0×54０平方微米。PARC（PaloAｌtoReｓeaｒｃhＣｅｎｔer)成功的利用了噴墨打印的方法制備了128×１2８像素的ＯTＦT基板;另外Belｌ實驗室也成功的制備了50厘米×５0厘米的ＯTFT基板。圖1．1以預聚物為有源層的OTFT液晶顯示屏圖1。２基于柔性基底的液晶顯示屏圖1．３柔性基底無限頻率智能識別(ＲFID)圖1．4柔性電子紙如圖1。3所示為20０4年3M公司成功制備的柔性基底無線頻率智能識別(RFID)電路，尺寸為６英寸×6英寸，此智能識別電路是由25列和２5行電路單元組成。圖1.４為２006年Ｐhｉlｉps公司柔性電子紙圖。圖1.5為在２0０７SIＤ展會上,SＯＮＹ公司首次推出了OTFT驅動的2.５英寸柔性ＯLEＤ樣品，實現(xiàn)了約1670萬色的全彩顯示。如圖１.6所示為201０年索尼公司獨自研發(fā)成功的世界上第一款OTFT驅動OＬＤE顯示屏，并且此顯示屏能夠實現(xiàn)在纏繞在半徑為４mm的圓柱上，進行卷繞的過程中，仍然能夠保持動態(tài)的顯示.此顯示屏所應用的OＴFＴ的有源層材料為peri—Xaｎthｅnoｘａｎthｅｎｅ,此種材料屬于一種稠環(huán)芳香化合物。這種有機半導體材料,使得該OTFＴ的驅動力是以前OＴＦT的8倍.索尼公司還進行了相關的試驗測試，該超柔性的顯示屏可來回的卷返1０00次后，顯示效果仍然正常。此超柔性ＯTFT—OＬＥD顯示屏參數(shù)為：大小4．1寸,分辨率：432×24０，像素的精細度為:12１PPＩ顯示顏色：167７萬色，亮度：大于100流明,對比度:大于1000:１,厚度：80μｍ。圖1.５ＯＴＦT驅動的柔性OＬED圖1．6OTFT驅動ＯＬＤE顯示屏在國內OTFT應用方面的討論也十分飛快，2006年1２月,由中國科學院長春應用化學討論所順利的完成了吉林省科技進展計劃“有機TFT器件討論”項目，并且通過吉林省科技廳專家驗收。其制備的OTFT器件,工作壽命超過5千個小時，遷移率達到0。2ｃｍ2/Ｖs，開關電流比達到107，并制備出了３英寸200×160和６４×６4像素的OＴＦT—LCＤ器件.該項目在高性能新型OTＦT器件結構、有機半導體材料和絕緣層材料、系統(tǒng)的集成加工工藝技術方面都有創(chuàng)新，并獲得系統(tǒng)的知識產權。雖然OTFT以及由它制備的集成電路，仍然還處于基礎性質的討論過程,但其器件性能的進展比較飛快,目前已經(jīng)達到或者超過了ａ－Si:H的水平?？偟膩碚fOＴFＴ在大面積顯示、低成本和集成電路上的應用，格外是在柔性塑料襯底上具有十分寬闊的應用前景。但要想要達到其器件產業(yè)化的真正實現(xiàn)，有機電子學及有機電子器件方面的討論,在諸多方面還需要不斷提高與改進。例如:有機電子器件在其制備過程中的隔絕空氣、隔絕水等等的封裝技術,在大氣環(huán)境和室溫下制備的器件的性能還有待于提高,另外還有待于提高的是器件在室溫及大氣條件下的穩(wěn)定性和壽命。在理論方面上,有機半導體材料的導電機理,還需進一步的商量及討論。只有以上的這些問題得到了解決，才能得到性能更為良好的場效應器件，以使得制備的器件更加的適于商業(yè)化生產及應用。1。４P３HT有機薄膜晶體管的進展Ｐ3ＨT是８0年月合成的聚合物，進展格外飛快，具有不同于一般聚合物的二維結構【２】，是一種很好的導電聚合物材料,適合于制作晶體管。目前,OTFT器件主要有兩種結構，一個是底接觸構型，另一個是頂接觸的構型。1９８8年A。Ａssadｉ等人制作了第一個Ｐ3HT有機薄膜晶體管【32】，采納的是底接觸的構型。將P3HT溶于氯仿溶劑中,(P3HT)Ｍｎ=9７0０,Mw=２900０溶于氯仿按1mg/ml配比,成膜采納的是旋涂的方法.旋涂速率為２０00rpm／mｉｎ保持30ｍin,獲得的器件的遷移率為０.９４×１0－4ｃｍ2/Ｖs。這是歷史上第一個P3HT有機薄膜晶體管。在19９6年有所突破，ZheｎａｎBaｏ等人【３3】采納的底接觸的方法制備器件，在真空的條件下測試,遷移率達到了０。０45ｃm2／Vｓ，提高了三個數(shù)量級。隨后在1998年,HeｎningSiｒrｉngｈａｕs等人制備出遷移率為０．１cm２/Vｓ,器件的構型采納的是底接觸的器件構型【34】,Ｐ３HT溶于氯仿溶液中，溶液的質量分數(shù)為0.7-0.8%，旋涂速率為20００ｒｐm,成膜的厚度為５00?到70０?。其中Ci=１０ｎF/cm2，溝道長為75μm，寬為1500μm，溶液制備和器件的制備全部都是在氮氣條件下進行的，在沉積薄膜之前用六甲基二硅氮烷對SｉO2表面進行處理,而且在有源層上沉積SiＯx.在2０03年P３HＴ薄膜晶體管又一次的得到了提高【３5】,遷移率達到了0．２ｃｍ2／Vs.它是由ＳaｎtaBａｒbａｒａ等人制作的器件，器件采納的底接觸的構型，溶液配置為１。0mg/mｌ。在制備前要進行用０.２0μm孔徑的聚四氟乙烯薄膜進行過濾，成膜前用六甲基二硅氮烷對絕緣層進行處理,采納提拉或者是旋涂的方法成膜,提升速度為0.2–0.５ｍm/s或者轉速為２00０rpm,制備出的薄膜膜厚為20-40?。溝道長度為5－25μm，寬度為10０0μｍ，絕緣層厚度為200ｎm.在N2條件下進行測試。在2０06年，HuｉpｉｎgJｉa等人采納光刻的方法【36】，采納的是底接觸的構型得到的器件遷移率為0.02ｃm２/Ｖs,另外在同一年DoHwanKim等人通過掌握P3HＴ一維納米結構得到了遷移率為0。02ｃm２/Vs的器件【37】.2００７年HiｓashiFukｕdａ等人制備的Ｐ3HT有機薄膜晶體管遷移率達到了1。１cm2／Vs，此器件采納的底接觸的器件結構，絕緣層用的是ＳｉＯ2厚度２０nm,溝道長度為30μｍ,寬度為3。８cm【３8】。有源層的薄膜是在基底溫度為70℃的調節(jié)下，采納旋涂的方法成膜.器件性能的測試是在封閉的裝置內布滿壓強為10００ＰＰM的N2Ｏ氣體的條件下進行。這也是目前來說所得到的遷移率最高的P3HＴ薄膜晶體管。2008年B。Ｈ。Hａｍａdaｎi和D.Nａt(yī)elsoｎ制備的底接觸構型的薄膜晶體管，通過掌握器件的溝道長度從400nm到40μm來實現(xiàn)器件性能上的提高.遷移率達到了1cm２／Ｖｓ【39】。20０9年ＹｕFu，ＣｈengＬin，通過將Ｐ３ＨＴ薄膜暴露在鄰二氯苯蒸汽中得到遷移率為０.1１ｃm2／Vs的薄膜晶體管【40】。20１0年臺灣國立清華高校的蘭宜康等人以量子計算（QM)對Ｐ3HT延鏈上及延鏈間兩不同維度的電荷傳輸速率及遷移率進行了計算【41】。另外應用分子動力模擬(MD)技術，計算了各個不同溫度及規(guī)整度環(huán)境下的P３ＨＴ系統(tǒng)，得到了其分子結構的內部資訊。結合QM及MD的結果顯示，在規(guī)整排列區(qū)的延鏈上傳輸速率會大于延鏈間傳輸約百倍，鏈上傳輸應是規(guī)章區(qū)內的主要傳輸路徑.計算結果也顯示延鏈間方向的電子遷移率為2—10cｍ2/Ｖs。這一理論的計算，更加堅決了我們對Ｐ3ＨT有機薄膜晶體管討論的信心，同時這些前人的討論對我們的進一步討論供應了寶貴的閱歷，并且從理論上也學到了很多的知識。1.5論文討論的主要內容本文在掌握了充足的理論知識的基礎上，開展了對Ｐ3ＨT有機薄膜晶體管的討論。首先采納旋涂的工藝對P3ＨT的氯仿溶液進行旋涂成膜。分別制備得到了5mｇ/ｍl、８mｇ/ml、11mｇ/ml三種濃度溶劑濃度下的薄膜.通過利用不同的旋涂轉數(shù)，利用臺階儀測得每種濃度下不同的旋涂轉數(shù)所形成的薄膜厚度。在掌握了膜厚的基礎上，開頭制備這三種濃度下,依據(jù)旋涂的轉數(shù)形成不同有源層厚度的P3HT有機薄膜晶體管.并且利用安捷倫公司的４１5５C半導體測試儀測試每種濃度下每個膜層厚度的器件性能。測試后得到了濃度為8ｍg／ml，有源層厚度為５50?時器件的性能達到最好。之后我們應用原子力電子顯微鏡進行器件有源層薄膜的表征，尋找器件性能的差異緣由，并且提出進一步提高器件性能的方案,對器件的制備進一步修飾，以得到性能更好的器件.論文還論述了退火工藝對有機薄膜晶體管器件性能的影響.分別做了８0℃—２20℃條件下(間隔是20℃)的真空和N２兩種環(huán)境下對器件進行1個小時的退火。經(jīng)過退火后的測試，發(fā)現(xiàn)在1６0℃條件下真空環(huán)境里器件的性能比退火之前具有了很大的提高，遷移率將近提高了一倍.分析了退火后器件性能提高的緣由，是由于退火后薄膜內顆粒變大，以及在真空條件下顆粒表面和顆粒之間粘附的氣體分子削減,削減了薄膜的陷阱，有利于載流子的傳輸。其次章基本原理２．１有機薄膜晶體管的工作原理本論文主要是討論的P３HT有機薄膜晶體管，有源層為P型半導體材料,因此以P型半導體材料,空穴載流子累積型ＯTＦT為例，介紹有機薄膜晶體管的工作原理，如圖2．1。圖2。１P型有機薄膜晶體管的工作原理從圖２.1可以看到其實有機薄膜晶體管就像是一個平行板電容器,由源漏電極、有機半導體薄膜層、絕緣層和柵電極組成。源漏電極和有機半導體薄膜層相當于平行板電容器一個電極,柵極則相當于另一個電極，絕緣層相當于電容器中的介質層。依據(jù)在１．1中的場效應原理,通過掌握柵極電壓的變化能掌握器件的導電能力。當柵壓VGＳ為０V時：由于有機半導體材料本征電導率都小于10-10S．ｃｍ,所以即使在源漏電極之間加上電壓VD,在有機薄膜層也不會有電流IDS流過,器件處于關閉狀態(tài)，即所謂的“關態(tài)”.當柵極加負電壓時:由于場效應原理,就如同平行板電容器一樣,在加上負的電壓，空穴就會從源電極供應并注入到有機半導體層,在有機半導體層與絕緣層的界面之間累積起來，而絕緣層的另一端則累積電子。在比較小的柵極電壓下,誘導產生的空穴電荷主要是用來填補在器件中的半導體或絕緣層自身的陷阱，將無法產生導電的溝道。只有當柵極電壓大于閾值電壓(Vtｈ）時,導電溝道才能夠產生，在源漏電極之間加上一個負電壓,就會在有機半導體層中產生電流的流淌。因此閾值電壓的定義為：當在有機薄膜晶體管中的有源層形成導電溝道時是所加的柵極電壓稱之為閾值電壓。隨著柵極電壓的連續(xù)增加,有源層中的導電溝道增厚，相應的電阻變小,源極和漏極之間的電流就會增加。但是像平行板電容器一樣如果柵極的電壓過大,則整個器件就會被擊穿,電流就不會再源極和漏極之間產生，而是在源極和柵極之間流淌，整個器件被毀壞。有機薄膜晶體管在正常工作時有源層中的電流大小是受源極和柵極電壓與源極和漏極之間的電壓共同來進行掌握的.由此器件在工作時電流是受到兩種電壓的共同掌握的,在不同的柵極電壓情況下,有源層中的電流ＩDS的大小變化與源極和柵極之間電壓ＶDＳ的變化關系曲線稱之為有機薄膜晶體管的輸出特性曲線，如圖2。２所示。把在不同的源極和漏極電壓情況下,有源層中的電流IDＳ的大小隨著柵極電壓VＧS的變化關系曲線稱之為有機薄膜晶體管的轉移特性曲線,如圖2.3所示。圖2.2有機薄膜晶體管的輸出特性曲線圖2.３有機薄膜晶體管的轉移特性曲線在源極和漏極之間的電壓VD比較的小時,由于柵壓是固定的，也就是說從源極注入的載流子空穴數(shù)是肯定的.這時源極和漏極之間的電流IＤＳ會隨著源極和漏極之間電壓VＤ的大小變化產生線性的增加，稱這個區(qū)域為線性區(qū)。線性區(qū)域可以通過如下公式2．１來表達：（２．1）公式中的Ci為單位面積的絕緣層電容（F/cｍ２),L為有源層的溝道長度,W代表有源層的溝道寬度，VT是器件的閾值電壓，μ為載流子的場效應遷移率。遷移率的定義為：單位電場下多數(shù)載流子的漂移速度。遷移率的數(shù)值直接決定整個晶體管的性能好壞.由于對于０TFＴ的應用主要是作為開關元件，而對于器件開關的速度大小就是由遷移率來體現(xiàn)。我們定義：為跨導gｍ，ｇm的意義為在源極與漏極的電壓為常數(shù)時，柵極的電壓大小對器件中的電流的掌握能力。如圖2．３中轉移特性曲線中曲線的斜率的數(shù)值即為跨導ｇｍ的大小。依據(jù)跨導能夠得到在線性區(qū)中載流子的遷移率μ。其數(shù)值由下面的公式2．2得出:（2。２)當?shù)臅r候，由于器件中靠近漏電極一端的導電溝道被夾斷，當電流傳輸?shù)竭@一側時其傳輸主要靠的是隧穿效應,則ID逐漸達到飽和狀態(tài)，我們稱這一區(qū)域為飽和區(qū)。在這個區(qū)域中我們看到ＩＤ的大小變化只是與VG有關系而與VD的大小沒有關系,其電流表達式下面公式（２．3):（2。３）（２。4)由公式(2．3）很容易得出在這一區(qū)域內場效應遷移率的計算公式為下面方程式(２．4),方程式中的:的數(shù)值，能夠通過對器件的轉移特性曲線進行曲線擬合,來獲得曲線的斜率來的得到。如圖2.4所示。圖中代表斜率的直線延長到與X軸相交的一點即為閾值電壓.有機薄膜晶體管的另一個重要性能的參數(shù)為開關電流比（Ｉoｎ／Iｏｆf），另一個重要性能的參數(shù)為開關電流比(Ion/Iofｆ），體現(xiàn)的是有機薄膜晶體管的整體性質.定義為在肯定柵極電壓下的開態(tài)電流值和關態(tài)電流之比。圖２．4轉移特性曲線進行曲線擬合２.2有源層的制備工藝在有機薄膜晶體管的制備過程中,最為重要的一步就是有源層的制備。由于對于有機半導體材料而言,其材料的特性不是完全的相同的，并且材料之間的特性會有很大的差別。如果在制備有源層薄膜的過程中采納的制備工藝不同，那么所形成的薄膜性質也便會有很大的差別。對大多數(shù)的有機小分子而言，尤其是對那些難溶的,且化學性質相對穩(wěn)定的有機小分子半導體材料,如要制備這種材料的溶液，那么溶劑的選取就十分的困難，因此在制備薄膜的工藝方面一般都是采納的真空氣相沉積的工藝。而對于有機聚合物材料而言，由于其材料自身的特性,其在真空環(huán)境或者是在高溫的條件下,材料的內部分子鏈容易斷開，這樣在制備有源層薄膜的過程中,通常采納溶液加工的方法?？傮w來說，有機薄膜晶體管有源層的制備工藝主要有：1。真空蒸鍍工藝；2.溶液加工工藝;3。物理氣相沉積工藝.接下來我來分別的介紹一下這些工藝方法：真空沉積:真空蒸鍍的工藝技術比較的適合有機小分子材料。這種工藝主要是通過在真空的環(huán)境下將有機材料進行加熱，使得被加熱的有機材料升華,最后沉積在放置在材料上方的基片上的有機薄膜制備工藝。在應用這種方法制備有機薄膜過程中,可以通過對材料沉積速率和器件基地的溫度來掌握薄膜的形成有序度,并且能夠精確的掌握所形成薄膜的厚度.通過這種工藝制備的有源層薄膜純度高，并且薄膜具有高度有序的特點。而對于有機薄膜晶體管來說，其有源層薄膜的高度有序對整個器件性能具有最為重要的意義.這種工藝所制備的器件的遷移率相比于其他的有機成膜技術制備器件的遷移率要高出幾個數(shù)量級。其缺點主要是:只是適合用來制備有機小分子材料的有機薄膜晶體管，由于對于有機聚合物材料在高溫下材料就會裂解了，所以這種工藝不能用來制備聚合物材料。還有就是這種工藝需要有真空或者是超真空的腔體條件，那么其所需要的設備比較的簡潔，所以制備成本就會很高,這樣也就限制了其在大規(guī)模的工業(yè)生產中的應用。溶液成膜工藝：溶液成膜工藝主要的適合于有機聚合物材料。由于對于大部分有機聚合物材料來說,都是比較的容易找到其適合的溶劑來制備其聚合物溶液。那么通過對其溶液的處理的工藝方法，制備成有源層薄膜就是溶液成膜工藝。溶液成膜的工藝比較的多,主要有:旋涂、滴涂、提拉、電化學聚合、分子自組裝、Lａngｍuｉr—Ｂｌoｄgeｔt成膜、印刷、噴墨打印等方法。這些溶液成膜工藝技術都具有很好的可操作性,并且條件溫和，可以獲得大面積、均勻性好、連續(xù)的聚合物薄膜。我們可以通過掌握溶液的濃度、旋涂的轉速，提拉的速度等實驗參數(shù)達到精確的調節(jié)薄膜的厚度.而且這些工藝技術的加工溫度都比較的低，也不需要真空的條件和簡潔的設備支持，工藝簡潔。因此大大的降低了器件的制備成本，很是適合工業(yè)化生產。其缺點是制備的薄膜的質量不如真空蒸鍍的好,器件的遷移率要相比真空蒸鍍方法制備的器件的遷移率小一個到幾個數(shù)量級。下面簡潔的介紹一些溶液工藝.提拉工藝是通過在配置好的溶液中放入基片,然后利用提拉機將其緩慢的提出溶液.這種方法制備的薄膜的膜厚比較的均勻并且有序度也比較的高,聚合物的分子鏈不容易斷裂?？梢酝ㄟ^提拉的速度和溶液的濃度來掌握薄膜的厚度。電化學聚合工藝是一種合成導電聚合物的主要方法。歷史上第一個基于聚噻吩有機場薄膜晶體管就是采納此方法進行制備的。其缺點是半導體層和絕緣層的界面性質比較的差，半導體薄膜的純度比較的低，所以到目前為止人們在有源層的加工方法中已經(jīng)將其淘汰。分子自組裝膜是我們把基片放入溶液中讓其溶液自然的蒸發(fā)，當溶劑揮發(fā)完后自然的在基片上成膜，這個過程是通過材料的分子通過其自身化學鍵的相互作用，自動的地搭建結合形成相對穩(wěn)定有序的超分子結構。對于分子自組裝形成的薄膜可以通過化學摻雜和嫁接的方法對器件的有源層薄膜進行修飾,這種方法在有源層的制備上具有極其廣泛的應用前景。印刷技術是將待成膜的有機半導體溶液蘸在已經(jīng)設置好的帶有圖案花樣的版上，然后就像我們印刷試卷一樣,按著這樣的圖案將其圖案印在基底上,然后使得溶液自組裝形成薄膜。噴墨打印的技術也就是像打印試卷一樣,只不過不是墨汁而是有機聚合物的溶液。下面簡潔的介紹兩種具有代表性的噴墨打印的方法：連續(xù)打印法和脈沖法。連續(xù)打印工藝采納的是通過利用設備中的超聲波噴口噴射其自身帶有靜電荷的小墨滴,然后在利用電壓來掌握小墨滴在基片上的位置。對于脈沖式打印是目前比較普遍使用的噴墨打印工藝。其工作模式又分為兩種：其中一種工作方式是通過利用壓電系統(tǒng)來掌握電信號進而來掌控噴嘴噴出的墨滴噴射到基板上。其次種方法是采納快速加熱的方法把墨水投向基底。由于不需要加熱,所以采納第一種方法的設備較多。印刷和噴墨打印兩種工藝很是適合大規(guī)模的生產,進而商業(yè)化,因而具有很大的開發(fā)潛力。對于ＬB成膜工藝，這種技術雖然是一種可以獲得很高質量薄膜的方法，但是通常只是使用于雙親分子，因此限制了其在器件制備過程中的應用。物理氣相沉積技術：前面介紹的工藝都是制備有機材料多晶的方法,而要獲得高質量的有機半導體的單晶材料,應用物理氣相沉積的工藝技術。由于在多晶薄膜晶粒的接觸邊界會有缺陷的存在,這樣就會使得載流子在傳輸?shù)倪^程中遇到阻礙，有的時候甚至會不能夠穿越缺陷連續(xù)傳輸。這樣由于這些缺陷就會產生電荷積累勢壘或者是造成費米能級釘扎。有機半導體的單晶薄膜與多晶薄膜相比不僅高度有序,并且缺陷也會大量的削減。不過有機半導體單晶膜只有在特殊條件下升華制得，大都是采納的物理氣相法沉積方法制備。采納這種方法制備的器件是我們討論有機薄膜晶體管中載流子傳輸機制的最為好的方法.缺點是有機半導體的單晶比較的昂貴，并且制備工藝要求精密簡潔,以至于不適合于商業(yè)化。2．３有機薄膜晶體管的結構有機薄膜晶體管是三端有源器件，結構其實就跟一個平行板電容器一樣。由源漏電極、有機半導體層、絕緣層、柵電極、基底五部分組成的電學器件。依據(jù)有機半導體層和源漏電極在器件的制備過程中沉積的次序不同，可以將其分為底接觸器件構型源電極漏電極有機半導體層源電極漏電極有機半導體層絕緣層柵電極基底源電極絕緣層柵電極基底有機半導體層漏電極圖２.5(ａ）底柵頂接觸構型圖2．5(ｂ）底柵底接觸構型和頂接觸器件構型，如圖２．５（a）為頂接觸器件結構，圖2.5(b）為低接觸器件結構。這兩種結構是制備有機薄膜晶體管所采納的最為常用的結構.當然這兩種結構所制備的同一種有機材料的晶體管時，常常的也會消滅性能上的差異,也就是說他們各自都有各自的優(yōu)缺點。制備頂接觸的有機薄膜晶體管時工藝難度比較的大。由于在制備矩陣時要對金屬電極進行光刻和刻蝕，這樣對于那些對于光和化學藥品十分敏感的材料就會變性，并且很容易引入雜質，以至于導致整個器件的性能大大的降低.如圖我們可以看到底接觸構型器件的有源層制備在絕緣層上，而絕緣層上還有源和漏電極,這樣就會導致金屬電極和絕緣層的界面處產生肯定的空隙，也就是形成了很多的缺陷,以至于加大了接觸電阻，使得電荷難以注入，這樣也會降低器件的性能。圖2.5的柵極都是制備在整個器件的下方,其實我們也可以將其制備在上面。這樣我們就把柵極制備在上面的器件叫做頂柵結構，而制備在下面的則稱之為底柵結構。如圖2．５（a）就稱之為底柵頂接觸結構，那么相應的圖２．5（b)稱之為底柵底接觸結構。如圖２.6(ａ)為頂柵極頂接觸結構，圖２．６（ｂ）為頂柵極底接觸結構。柵極絕緣層源極柵極絕緣層源極漏極有機半導體層襯底柵極絕緣層有機半導體層源極漏極襯底圖２。6（ａ）頂柵頂接觸構型圖2．6（ａ)頂柵底接觸構型源電極絕緣層源電極絕緣層柵電極基底有機半導體層漏電極外延層保護層源電極漏電極有機半導體層絕緣層柵電極基底圖２．7（a)具有外延層的結構圖2。7（b）有源層封閉的結構為了避開上面提到的各種結構在器件制備過程中所難免的一些缺點,以來提高器件的性能。一些科研機構對器件的基本結構進行的改進,如圖2。７(ａ）所示在有機半導體生長之前,在其下面先外延了一層其它的有機材料。我們稱這種材料為過渡層材料，也叫為外延層。這層有機薄膜可以起到緩沖的作用，使得有機材料生長的更加的完善。也就是說有機半導體材料生長在外延層上要比直接生長在襯底或者是生長在絕緣層上要好的多，大大的削減了接觸面的缺陷。另外如圖2.７(b）所示。有人也采納了在有源層上在生長一層有機材料的器件結構，這樣便起到了保護有機半導體薄膜的作用，使得有源層免受外界的光和各種氣體等雜質的影響,同樣提高了整個器件的性能。以上介紹的都是最為常見的有機薄膜晶體管器件的結構模型，其實還有其他的結構類型。如：使導電溝道變成垂直的,所謂的垂直構型的疊層器件的構型.還有就是雙柵極的器件結構。另外還有人將器件的源電極和漏電極都制備成梳妝，以來使得漏電流減小,而且還能夠有效的使得閾值電壓降低，載流子更容易從電極注入。由于這些結構都不是常見的，并且制備工藝簡潔,不適合商業(yè)化，所以只是簡潔的介紹。2.4Ｐ3HT有機薄膜晶體管的制備２。4。1實驗所用試劑和設備下表2－1列出了實驗過程中所用到的主要的試劑:表2-１實驗所用試劑試劑名稱生產廠家純度丙酮乙醇去離子水氯仿硅片P3HＴ金苯基三氯硅烷北京化工廠北京化工廠實驗室自制天津市光復精細化工討論所北京中鏡科儀技術有限公司北京盛維特科技有限責任公司北京盛維特科技有限責任公司北京盛維特科技有限責任公司99.5%9９.５％９9.０%９9。0％９９.9９9%95．0%下表2－2列出了實驗過程中所用到的主要的設備：表２-2實驗所用設備設備名稱生產廠家型號勻膠機有機材料真空鍍膜機臺階儀原子力顯微鏡工作臺電子天平干燥箱半導體測試系統(tǒng)退火爐中科院微電子所沈陽市真空應用技術討論所AＭＢＩOＳＰＡCIFICNAＮOTＥCＨNOLOGＹ蘇州凈化設備廠上海民橋精密科學儀器有限公司吉首市中誠制藥機械廠ＡGＩLＥＮTＡLWIN21CＯRPＫW－4Ａ定做XP-100Ｎonａ－k2CJ-4BＦＡ２１０４ＮＫW-４５４1５5CＡG4１０0２.4.2P３HT有機薄膜晶體管的制備（１）硅片的清洗由于購買來的硅片表面會有一層油脂之類的有機物質或者是粘附著其它的塵埃、水分子等之類的無機顆粒，所以在用來使用制備器件之前必須得對其進行處理，使其去除表面的這些雜質.處理方法為：先后使用裝滿丙酮、乙醇、去離子水的洗瓶進行清洗。反復的清洗幾次,直到用肉眼看硅片的表面沒有雜質，并且比較的有光澤.其中使用丙酮和乙醇清洗的直接目的就是去除硅片表面的有機物,最后用去離子水清洗的目的是為了去除殘留的油脂和雜質。清洗后用Ｎ2將其表面的去離子水吹干,然后立刻的放入經(jīng)過清洗后并且干燥的表面皿中，并封閉好，一同放入干燥箱中。在干燥箱中保持6０℃的條件下對器件加熱１個小時,使其表面的去離子水充分蒸干。盡管這一切工序都是在超凈間中進行，但是我們在使用硅片的時候必須的還得用Ｎ２吹其表面，以防止有塵埃再次落在硅片表面。(2)試劑瓶的清洗實驗過程中使用的試劑瓶也必須得清洗干凈，如量筒、容量瓶、滴管等。格外是那些已經(jīng)使用過裝過Ｐ3ＨT溶液的試劑瓶更應該好好的處理清洗，由于其表面附著了其原溶液的薄膜或者是殘留.這樣就能保證新配置溶液的純潔和濃度的精確。一般我們籌備兩個裝有濃硫酸的燒杯，然后滴入少量雙氧水(直到混合液體變熱為止）.將使用過的試劑瓶放入其中的一個燒杯里，并對燒杯加熱,一般加熱一個小時。一個小時以后我們會看到試劑瓶表面的薄膜或者雜質就會漸漸的脫落。這時我們用木質鑷子將其取出，然后先后用丙酮、乙醇和去離子水清洗。有時一些附著在瓶壁的薄膜或者是雜質格外頑固，不容易脫落.格外是對于那些洗液難以噴到的試劑瓶死角地帶的薄膜。這時我們就用無塵紙卷成卷塞入試劑瓶進行擦拭,擦拭后在采納(1）的方法處理.然后取出試劑瓶放入其次個裝有濃硫酸的燒杯,重復以上做法，以保證雜質徹底清除.(3）溶液的配置首先用電子天平量取相應克數(shù)的P３HT，天平使用之前肯定要進行調平,然后將量取的P３HＴ放入容量瓶中,隨后加入相應容量的氯仿液體。這一步所要注意的是保證藥品的純潔,取藥品時肯定要用經(jīng)過清洗后，并且干燥的鑷子.最好是每個藥品的量取,用一個專用的鑷子。另外就是配置溶液時肯定要先放藥品后放溶液，這樣能夠防止藥品放入過程中落在容量瓶的瓶壁.以免影響溶液的濃度。溶液配置后會發(fā)現(xiàn)P3HT并沒有很好的溶解，溶液整個的分成了兩層。由于浮力作用，漂移在上層的P３HＴ部分溶解,并且濃度比較的大，而下層則沒有Ｐ3HＴ溶解。這時我們需要對其進行水浴加熱，保持水溫在5０℃.我們會看到P3HＴ會立刻的向下集中溶解。并且整個溶液變成橙色。對其加熱要保持12個小時，并且要注意這時容量瓶口肯定要密封,由于氯仿的沸點只有61℃,很容易揮發(fā)。還有一點就是為了防止水分進入容量瓶中，影響溶液的純度和濃度。溶液經(jīng)過加熱后，保持常溫放置一個小時,以待被應用旋涂成膜。（４）硅片的處理在旋涂P３HT的氯仿溶液，形成有源層薄膜之前,我們還要對清洗后的硅片進行處理。將其放入PTS溶液中，使得在SiO２的表面形成一層苯基三氯硅烷(PTS）薄膜。SiSiSiO吸附ClClSiClOHOHSiOH羥基化OHSiOHSiOHSiOOHOOOHHSiSiHOHOOSiSiSiOSiOO脫水聚合圖２。8PTS溶液修飾SiO2表面過程PTＳ薄膜具有修飾SiO2層的作用。它不僅能夠使得SiO２的表面由親水的特性變成疏水特性,而且還能做為又一層絕緣層，進而使得器件的漏電流得到有效降低.另外由于PＴS的介電常數(shù)很低，使得SｉO2表面能級也得到降低.最為重要的是它能夠使得表面變得更加平整,最終使得其上面的有機薄膜能夠生長的更好。PＴS溶液的配置為:氯仿對ＰTＳ的體積比例為10０0:1５。PTS溶液修飾SｉO2表面的過程如圖2。8。其中化學反應原理為：首先由于ＳｉO２是親水的，其表面肯定有水分子.其實PＴS溶液先是與SｉO2表面的水分子發(fā)生反應,即羥基化反應（OH—取代了Cl-）。這樣羥基集團便與SiＯ2表面連接上,并完成脫水反應,進而形成了十分穩(wěn)定的硅氧共價鍵.并且使得苯環(huán)能夠十分有序的在硅片表面排列,形成了一層很薄的薄膜。（5)旋涂成膜將經(jīng)過PＴS溶液處理過的硅片先后用丙酮、乙醇、去離子水清洗幾遍，然后用氮氣吹干，放入烘箱中，并保持在８０℃條件下烘２個小時.然后我們進行旋涂。旋涂過程中我們首先要先調節(jié)旋涂機的轉數(shù)，確定轉數(shù)為我們實驗過程中所需要的標準后，然后用滴管吸取少量P３HT溶液。這一步需注意的是吸取溶液時不能過度的擠壓滴管上的橡膠乳頭,只要輕輕擠壓即可。以免吸入時溶液竄入滴管上面,并且在滴管表面成膜.一般的旋涂機都是具有兩個轉數(shù)設置，一個是初始轉數(shù)設置:為比較低的轉數(shù)，并且維持的時間也比較的短,起到緩沖的作用。其次個設置為高轉數(shù)設置:為比較高的轉數(shù)，并且維持的時間比較的長。而對于P３HＴ的氯仿溶液來說，由于氯仿極容易揮發(fā)，沸點只有6１℃，所以我們只使用其次個轉數(shù)設置,直接進入高轉數(shù)，并且滴上溶液后立刻就開頭旋轉，以防止氯仿?lián)]發(fā)。依據(jù)經(jīng)典物理學原理,最好是將液滴滴在硅片的正中心，這樣就能使液體能在硅片的表面更加的均勻的成膜.一般來說，這一步最好由兩個人來實現(xiàn)操作。(４）蒸鍍金電極將旋涂好的器件立刻的放入烘箱中,７0℃烘半1０分鐘,然后立刻送入真空鍍膜機中,以防止有機薄膜與空氣中的氣體接觸時間過久發(fā)生化學反應。實驗中選用的掩模板的寬長比為：4500︰150。這也就是說器件的有源層溝道長度為１5０μm,溝道寬度為4５0０μm。2．4。３Ｐ3HＴ有源層薄膜的厚度摸索在制備P3HT有機薄膜晶體管之前，對其有源層薄膜的厚度進行了摸索,經(jīng)過實驗得到5ｍｇ／ml、8mg／mｌ、11mg/ｍl三種濃度的P3HT氯仿溶液在各種旋涂轉數(shù)下形成圖2。９溶液濃度，旋涂轉數(shù)和膜厚的關系薄膜的薄膜厚度。其溶液濃度，旋涂轉數(shù)和膜厚的關系如圖2．9所示。從圖中我們可以看到在同種濃度下，膜厚和旋涂轉數(shù)成反比關系。在相同的旋涂轉數(shù)情況下，溶液的濃度和膜厚成正比關系。這種試驗結果也是與經(jīng)典物理理論相吻合的。由于旋涂轉數(shù)越大離心力越大，這樣溶液在旋涂的過程中被甩出的幾率越大，留在硅片表面的溶液就越少，以至于形成的薄膜越薄.同樣溶液的濃度越大其質量就越大,則在相同的轉數(shù)下被甩出的幾率就越小,留在硅片上的溶液越多,以至于形成的薄膜越厚。第三章溶液旋涂法薄膜晶體管的性能測試與表征3．1不同濃度下P3HT有機薄膜晶體管的性能我們分別制備了在１1ｍg/ｍｌ,8ｍg/mｌ，5mｇ/ml三種濃度下的P３HT有機薄膜晶體管，并且在每種濃度下又分別制備三種不同的P3HＴ有源層薄膜厚度的有機薄膜晶體管.以下是我們對每種情況下制備的有機薄膜晶體管進行的輸出特性和轉移特性的測試結果。下圖３.１為溶液濃度為11mg/mｌ,有源層膜厚為７50?的器件的輸出特性和轉移特性曲線。圖３．１溶液濃度為11mg/ml有源層膜厚為７50?輸出特性（左)轉移特性(右）圖３．２轉移特性曲線的擬合處理通過對轉移特性曲線的處理能得到圖3。2，再對圖形進行擬合和計算得到了濃度為１１mg/mｌ，有源層薄膜厚度為750?的器件的特性參數(shù)為：遷移率為6×１0-5cm２V—1ｓ－１，閾值電壓為50Ｖ，開關電流比為1.8。下圖3．３為溶液濃度為１1mg／ｍｌ,有源層膜厚為580?的器件的輸出特性和轉移特性曲線.圖３.３溶液濃度為１1mg/ｍｌ,有源層膜厚為5８0?輸出特性（左）轉移特性（右)通過對轉移特性曲線的處理我們能得到圖3.４，獲得了在這種濃度為11ｍg/ml，有源層薄膜厚度為5８0?的器件的特性。通過圖形的擬合和計算我們能夠提出取器件的參數(shù)為：遷移率為１×10－４cm２V—1ｓ－1,閾值電壓為32V,開關電流比為３.5。圖3。４轉移特性曲線的擬合處理下圖３．5為溶液濃度為１1ｍg/ml，有源層膜厚為4５0?的器件的輸出特性和轉移特性曲線。圖３.5溶液濃度為11mg／mｌ，有源層膜厚為450?輸出特性(左)轉移特性（右）通過對轉移特性曲線的處理我們能得到圖3。6,獲得了在這種濃度為１1ｍg／mｌ,有源層薄膜厚度為450?的器件的特性.我們將所得到的圖形進行曲線擬合，得到相關的數(shù)據(jù)后，通過計算我們能夠提出取器件的參數(shù)為:遷移率為1。５×１0－4ｃm２V-１s—1，閾值電壓為9V，開關比為15。圖3.６轉移特性曲線的擬合處理下圖３。７為溶液濃度為8mg/ml，有源層膜厚為6５0?的器件的輸出特性和轉移特性曲線.圖３。７溶液濃度為8mg／ｍｌ,有源層膜厚為６30?輸出特性(左）轉移特性（右）通過對轉移特性曲線的處理我們能得到圖3.８,獲得了在這種濃度為8mg/ml，有源層薄膜厚度為６50?的器件的特性。我們將所得到的圖形進行曲線擬合,得到相關的數(shù)據(jù)后,通過計算我們能夠提出取器件的參數(shù)為:遷移率為6×10－５cm２Ｖ-1ｓ－1,閾值電壓為3．７V,開關比為1０。圖３．８轉移特性曲線的擬合處理下圖3．9為溶液濃度為8mｇ／ml，有源層膜厚為５５0?的器件的輸出特性和轉移特性曲線。圖３．９?jié)舛葹?mg／ｍl，有源層膜厚為５3０?輸出特性(左)轉移特性（右）通過對轉移特性曲線的處理我們能得到圖3。1０,獲得了在這種濃度為８mg/ｍl,有源層薄膜厚度為55０?的器件的特性。我們將所得到的圖形進行曲線擬合，得到相關的數(shù)據(jù)后,通過計算我們能夠提出取器件的參數(shù)為:遷移率為2．4×10—4cm2Ｖ-１s—1，閾值電壓為11Ｖ，開關比為10。圖３．１0轉移特性曲線的擬合處理下圖3。11為溶液濃度為8ｍｇ/ｍl,有源層膜厚為４５0?的器件的輸出特性和轉移特性曲線。圖3。11溶液濃度為8mg／ｍl,有源層膜厚為450Ａ輸出特性（左)轉移特性（右）通過對轉移特性曲線的處理我們能得到圖３．１2，獲得了在這種濃度為8mg/ml，有源層薄膜厚度為45０?的器件的特性。我們將所得到的圖形進行曲線擬合,得到相關的數(shù)據(jù)后,通過計算我們能夠提出取器件的參數(shù)為:遷移率為１.6×１0-４ｃm2Ｖ-1s—1,閾值電壓為９V，開關比為6。圖３．12轉移特性曲線的擬合處理下圖3．13為溶液濃度為5mｇ/mｌ，有源層膜厚為450?的器件的輸出特性和轉移特性曲線。圖3。1３溶液濃度為5mg／ml，有源層膜厚為450?輸出特性（左)轉移特性(右）通過對轉移特性曲線的處理我們能得到圖３.14,獲得了在這種濃度為5ｍg/ml,有源層薄膜厚度為45０?的器件的特性.我們將所得到的圖形進行曲線擬合，得到相關的數(shù)據(jù)后,通過計算我們能夠提出取器件的參數(shù)為：遷移率為1×１0－4cm2V-1s—1，閾值電壓為8.８V,開關比為5。圖3.１4轉移特性曲線的擬合處理3.２測試數(shù)據(jù)分析通過對不同濃度不同薄膜厚度的P3HT有機薄膜晶體管的性能測試，我們得到了如下的對比分析數(shù)據(jù),見表3—1。表3—1不同濃度下P3HT晶體管的性能片號濃度(ｍｇ／ｍl）厚度（?)遷移率(cm2Ｖ－1s－1）閾值電壓(V）開關比片子１片子２片子３片子4片子5片子6片子７1111１1８8８５750580４５0650550４5０４５06×1０—５1×１0－41.5×10－46×１0－５2.4×10-4１．6×１0-４１×10—５５0３2９3.7１198.８1.83。５１５10１０65通過數(shù)據(jù)的整理,獲得了P３HT有機薄膜晶體管遷移率隨濃度和薄膜厚度變化的曲線，如下圖3.１5。圖３．１５Ｐ3HT薄膜晶體管遷移率隨濃度和薄膜厚度變化的曲線經(jīng)過上面的實驗數(shù)據(jù)分析圖，可以明顯的看到，在溶液濃度為8mg/ｍl,并且Ｐ3ＨT薄膜的厚度在55０?時器件的性能最好,場效應遷移率最高。并且從圖3.９的測試圖形中看到這種條件下制備的器件能夠獲得很好的輸出特性和轉移特性曲線,其器件的電流相對較大，器件的性能穩(wěn)定，漏電很少且沒有跳動的點。另外我們能從曲線圖中能夠看到在濃度為8mg/mｌ,薄膜厚度為6５０?時,器件的遷移率較低，但是其測試圖３．7中能夠看到,其具有很好的場效應,這就證明白溶液的濃度是適合的。當濃度為1１mｇ/ml時，器件的遷移率雖然較高，但是我們也能從上一節(jié)的圖3。1，3．3,３。5和其他圖形的對比中看到，當溶液的濃度較大,薄膜較厚時,會看到器件的場效應特性不是很明顯,主要的緣由可能是由于器件的有源層薄膜過厚，形成的晶粒比較大,這樣就不利于載流子的注入與傳輸，導致器件的電流較小，并且場效應不明顯，所以高濃度的P３ＨT氯仿溶液制備的P3HＴ有機薄膜晶體管場，其獲得的效應不是很好.如圖3.1３當濃度較低時,有源層薄膜較薄時，器件的性能不穩(wěn)定并且漏電較大，當達到肯定的薄膜厚度時，器件就不具有性能。主要緣由可能是由于有源層薄膜由于濃度較低，形成的薄膜缺陷較多,格外是在高轉速下，形成的薄膜較薄時,由于濃度的緣由，其缺陷更為增多，所以導致器件不具有場效應.另外從表３—１中看到，器件的閾值電壓也隨著溶液的濃度的降低逐漸的減小,這也是由于高濃度的溶液形成的薄膜較厚，并且顆粒較大，載流子難以注入的緣由。因此在制備器件時，肯定要一方面先選擇好適當?shù)娜芤簼舛?，另一方面要選擇好適當?shù)男哭D數(shù)，達到較為精確的掌握好薄膜的厚度。只有在適當?shù)娜芤簼舛认?制備形成適當?shù)挠性磳雍穸鹊钠骷?才能具有穩(wěn)定的并且較好的性能，為以后的討論供應了堅實的基礎.另外我們也能看到器件在當柵極電壓為0V時，器件的有源層中也具有電流通過。主要的緣由是由于我們在制備器件的過程中是暴漏在空氣中，有源層Ｐ3ＨT會和空氣中的水，氧發(fā)生反應,使得有源層中具有雜質，直接導致了在柵極電壓為0V時也使得器件具有電流。要進一步提高器件的性能，應使得整個的器件制備過程保持在真空環(huán)境下,才有可能更好的提高器件的性能。3．3P3HT有機薄膜的原子力表征為進一步分析器件的性能變化差異,對三種P３ＨT氯仿溶液濃度下形成的不同厚度的P3ＨＴ有機薄膜進行了原子力電子顯微鏡的表征,并進行了對比分析。如圖3.１6所示,為溶液濃度為１１mg／ｍl的P3HT氯仿溶液在旋涂轉數(shù)為１０00rpm條件下形成的厚度為７50?的P3ＨT薄膜原子力表征圖.通過軟件分析后我們能得到三幅圖形的平均粗糙度，從左到右薄膜的粗糙度為8.8７ｎm,4ｎm,２。3ｎm。如圖３。1７所示，為溶液濃度為11ｍｇ/mｌ的Ｐ3ＨT氯仿溶液在旋涂轉數(shù)為2000rpm條件下形成的厚度為580?的P3HT薄膜原子力表征圖。從左到右薄膜的粗糙度為４nm，3nm，1．3ｎｍ。圖３．16濃度1１mｇ/ｍl薄膜厚度750?的原子力掃描圖掃描范圍（左)10μm（中）5μm（右）2μm圖3．１7濃度11mg／ml薄膜厚度58０?的原子力掃描圖掃描范圍(左)1０μｍ(中）5μｍ（右）1.5μm如圖3．1８所示,為溶液濃度為11mg/ml的Ｐ3HＴ氯仿溶液在旋涂轉數(shù)為４000ｒpｍ條件下形成的厚度為450?的P3HT薄膜原子力表征圖。從左到右薄膜的粗糙度為２.６nm,1.6nm，１ｎm。圖３。１８濃度11mg／ml薄膜厚度450?的原子力掃描圖掃描范圍(左）5μｍ（中）2μｍ(右）１μｍ如圖３．1９所示,為溶液濃度為8mg/ｍl的P3HT氯仿溶液在旋涂轉數(shù)為５0０rpm條件下形成的厚度為65０?的P3HＴ薄膜原子力表征圖。從左到右薄膜的粗糙度為７.7ｎｍ，3.0nm，１.8ｎｍ圖3．19濃度8ｍｇ/ｍl薄膜厚度65０?的原子力掃描圖掃描范圍（左）１0μm(中）5μｍ（右）１．5μm如圖3.20所示,為溶液濃度為８mg/ml的P３HT氯仿溶液在旋涂轉數(shù)為100０rｐm條件下形成的厚度為5５0?的P3HＴ薄膜原子力表征圖。從左到右薄膜的粗糙度為２.9ｎm，2.7nｍ，1ｎｍ.圖３。２０濃度8mｇ/ｍl薄膜厚度５５０?的原子力掃描圖掃描范圍(左）１0μm(中)5μｍ(右）1。３μm圖3．2１濃度8mg/ｍl薄膜厚度450?的原子力掃描圖掃描范圍(左）５μｍ(中）2μm（右）1μｍ如圖３．2１所示，為溶液濃度為８ｍg/ｍl的Ｐ３ＨＴ氯仿溶液在旋涂轉數(shù)為2０0０rpm條件下形成的厚度為4５0?的P3ＨT薄膜原子力表征圖.從左到右薄膜的粗糙度為２．1ｎm，1。6nｍ，1ｎｍ。如圖３.22所示，為溶液濃度為５ｍｇ/ml的P3HT氯仿溶液在旋涂轉數(shù)為500ｒｐm條件下形成的厚度為450?的P3HT薄膜原子力表征圖。從左到右薄膜的粗糙度為３。４nm，1。３nm，1nm。圖3。22濃度5mｇ／ml薄膜厚度450?的原子力掃描圖掃描范圍（左)１0μm（中)４μm(右）１μｍ如圖３。23所示,為溶液濃度為5ｍg/ml的P３HT氯仿溶液在旋涂轉數(shù)為１0０0rｐm條件下形成的厚度為3５0?的Ｐ３ＨT薄膜原子力表征圖。從左到右薄膜的粗糙度為1．７ｎm，１.０ｎｍ,0.５ｎm。圖3．2３濃度5mg/ｍl薄膜厚度３５０?的原子力掃描圖掃描范圍(左)10μm（中)５μm(右）1μm圖3.24濃度５mｇ/ｍｌ薄膜厚度200?的原子力掃描圖