薄膜晶體管的功能層修飾與性能關系的研究.pdf

1、近年來，經濟的發(fā)展和科學技術的進步使得人們的工作和生活早已和各種半導體電子設備相輔相成，息息相關。其中，薄膜晶體管（thin-film transistor,TFT）作為微型處理器、存儲卡、手機芯片、主動矩陣顯示器件以及其他多種電子產品的主要功能部件及組成部分，是當今半導體科技中最重要的器件之一。為了替代傳統(tǒng)的硅基半導體和其他的III-V族系列半導體，進一步實現更高性能、低成本、大面積柔性化和透明化的基于TFT的半導體設備，各種新型半導

2、體材料成為了當前新的研究方向。一方面，有機半導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，在柔性電路、傳感器和智能標簽等方面有著巨大的應用潛力。然而有機半導體普遍存在著穩(wěn)定性差，遷移率較低的缺點。另一方面，金屬氧化物作為一種在可見光區(qū)域具有高透明性的半導體或導體，即使在非晶狀態(tài)也能保持相對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驅動

3、的顯示器已經商用化，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，且真空設備相對昂貴，耗能高，大幅增加了制備成本。為了有效彌補有機半導體和金屬氧化物半導體的以上缺點，本論文的主要工作在于利用多種功能層修飾方法，實現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部分：
　　1.研究了功能介電層及介電層表面修飾方法對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合介電層，探討了滯回現象與介電層

5、的關系，并在基于并五苯的OTFT中實現了0～10V的可控滯回調節(jié)；引入可控的紫外臭氧處理的聚苯乙烯介電層，實現了對OTFT器件閾值電壓的有效調控，并依此實現了高性能單極反相器。
　　2.研究了聚乙烯亞胺（PEI）摻雜對金屬氧化物TFT的性能影響。
　　PEI摻雜不僅僅能夠阻礙薄膜的結晶，形成非晶結構，而更為重要的是，基于不同濃度的PEI摻雜，能實現對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、摻雜作用結合電子陷阱作用以及薄膜微結構的改變，能夠在基于氧化銦的TFT當中實現高達9cm2/Vs的電子遷移率，107的開關比以及極低的-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。進一步的，PEI這一獨特的作用也拓展到了更加復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基于OTFT的氣體傳感器性能的影響。
　　通過引入具有不同官能團

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對基于OTFT的氨氣傳感器的影響，并實現了具有良好回復特性及低至1ppm探測極限的氨氣傳感器；采用紫外臭氧處理實現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，實現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，本工作針對基于有機和氧化物半導體TFT載流子遷移率偏低、穩(wěn)定性較差、制備成本高等問題，利用多種功能層