薄膜晶體管的功能層修飾與性能關(guān)系的研究.pdf

1、近年來(lái)，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步使得人們的工作和生活早已和各種半導(dǎo)體電子設(shè)備相輔相成，息息相關(guān)。其中，薄膜晶體管（thin-film transistor,TFT）作為微型處理器、存儲(chǔ)卡、手機(jī)芯片、主動(dòng)矩陣顯示器件以及其他多種電子產(chǎn)品的主要功能部件及組成部分，是當(dāng)今半導(dǎo)體科技中最重要的器件之一。為了替代傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體和其他的III-V族系列半導(dǎo)體，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更高性能、低成本、大面積柔性化和透明化的基于TFT的半導(dǎo)體設(shè)備，各種新型半導(dǎo)

2、體材料成為了當(dāng)前新的研究方向。一方面，有機(jī)半導(dǎo)體材料以其種類多樣、方便合成、易于功能化和制備溫度低等特點(diǎn)，在柔性電路、傳感器和智能標(biāo)簽等方面有著巨大的應(yīng)用潛力。然而有機(jī)半導(dǎo)體普遍存在著穩(wěn)定性差，遷移率較低的缺點(diǎn)。另一方面，金屬氧化物作為一種在可見(jiàn)光區(qū)域具有高透明性的半導(dǎo)體或?qū)w，即使在非晶狀態(tài)也能保持相對(duì)高的遷移率和良好的穩(wěn)定性，能與柔性基板兼容，是制備全透明可彎折的下一代電子設(shè)備的必要組成部分。在平板顯示行業(yè)，采用金屬氧化物TFT驅(qū)動(dòng)

3、的顯示器已經(jīng)商用化，目前高性能的金屬氧化物薄膜普遍采用真空或化學(xué)沉積方法制備，如磁控濺射、脈沖激光沉積和原子層沉積等。但是以上的沉積方法不易于制備大面積均勻的金屬氧化物薄膜，且真空設(shè)備相對(duì)昂貴，耗能高，大幅增加了制備成本。為了有效彌補(bǔ)有機(jī)半導(dǎo)體和金屬氧化物半導(dǎo)體的以上缺點(diǎn)，本論文的主要工作在于利用多種功能層修飾方法，實(shí)現(xiàn)TFT器件性能的提升，包括采用介電層改性和界面修飾制備高性能有機(jī)TFT（organic TFT,OTFT）及其功能性器

4、件，并創(chuàng)新性地采用功能性聚合物摻雜金屬氧化物，制備高性能氧化物晶體管。本文具體研究包括如下三個(gè)部分：
　　1.研究了功能介電層及介電層表面修飾方法對(duì)OTFT性能的影響。
　　在介電層和酞菁銅之間引入超薄的并五苯修飾層，提升了酞菁銅的結(jié)晶性，制備了高性能的酞菁銅OTFT，并將空穴載流子遷移率從0.27×10-2cm2/Vs提升到了0.20cm2/Vs；采用聚甲基丙烯酸甲酯和聚乙烯醇組成的聚合物復(fù)合介電層，探討了滯回現(xiàn)象與介電層

5、的關(guān)系，并在基于并五苯的OTFT中實(shí)現(xiàn)了0～10V的可控滯回調(diào)節(jié)；引入可控的紫外臭氧處理的聚苯乙烯介電層，實(shí)現(xiàn)了對(duì)OTFT器件閾值電壓的有效調(diào)控，并依此實(shí)現(xiàn)了高性能單極反相器。
　　2.研究了聚乙烯亞胺（PEI）摻雜對(duì)金屬氧化物TFT的性能影響。
　　PEI摻雜不僅僅能夠阻礙薄膜的結(jié)晶，形成非晶結(jié)構(gòu)，而更為重要的是，基于不同濃度的PEI摻雜，能實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化物薄膜的電子摻雜和電子散射作用。在合適的 PEI摻雜濃度下，PEI的電子

6、摻雜作用結(jié)合電子陷阱作用以及薄膜微結(jié)構(gòu)的改變，能夠在基于氧化銦的TFT當(dāng)中實(shí)現(xiàn)高達(dá)9cm2/Vs的電子遷移率，107的開(kāi)關(guān)比以及極低的-3.9～2V的閾值電壓；而在未摻雜的氧化銦中，僅得到了4cm2/Vs的電子遷移率。進(jìn)一步的，PEI這一獨(dú)特的作用也拓展到了更加復(fù)雜的金屬氧化物體系中，如氧化銦鋅，氧化銦鎵以及氧化銦鎵鋅等。
　　3.研究了功能介電層及其表面修飾對(duì)基于OTFT的氣體傳感器性能的影響。
　　通過(guò)引入具有不同官能團(tuán)

7、的聚合物，包括聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯以及聚乙烯基苯酚，探討了介電層表面官能團(tuán)對(duì)基于OTFT的氨氣傳感器的影響，并實(shí)現(xiàn)了具有良好回復(fù)特性及低至1ppm探測(cè)極限的氨氣傳感器；采用紫外臭氧處理實(shí)現(xiàn)聚苯乙烯介電層的功能化，在介電層表面引入了含氧的官能團(tuán)，實(shí)現(xiàn)了具有超高靈敏度的基于酞菁銅的OTFT二氧化氮傳感器。
　　綜上所述，本工作針對(duì)基于有機(jī)和氧化物半導(dǎo)體TFT載流子遷移率偏低、穩(wěn)定性較差、制備成本高等問(wèn)題，利用多種功能層