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有机半导体由于具有低成本、柔性、大面积等优点,已经在有源平板显示、低端电子产品以及传感器等方面显示出了极大的应用潜力。而有机电子器件之一的有机场效应晶体管,作为最基本的逻辑开关元件,正在受到越来越多的关注。而且有机异质结也在电子器件(例如有机太阳能电池和发光二极管)中显示出越来越重要的作用。因此,本论文工作主要集中在有机半导体异质结以及有机异质结场效应晶体管,尤其是有机异质结在有机晶体管上的作用。
1.首先研究了酞菁铜/氟代酞菁铜有机异质结的特征(第二章)。发现有机异质结具有不同于无机异质结的特征。在其异质结界面,酞菁铜的HOMO能级向上弯曲而氟代酞菁铜的LUMO能级向下弯曲,这导致了其异质结二极管表现出反向整流特征。由于电荷转移的作用,导致了界面偶极的出现,并且在异质结界面处累积了自由载流子电荷。空穴累积在p型半导体一侧,而电子累积在n型半导体一侧。在其异质结界面处可能存在着较强的内建电场,内建电场的方向为p型半导体指向n型半导体。
2.利用有机异质结的特征,通过改变异质结的厚度来调节界面处累积载流子的浓度,从而实现了对有机晶体管阈值电压的有效调控(第二章)。
3.利用有机异质结的特征,实现了高性能的双极型传输(第三、五章)。采用BP2T和氟代酞菁铜异质结制备的双极型晶体管,实现了高迁移率、空气稳定和平衡的双极型传输。采用六连苯和氟代酞菁铜异质结制备的双极型晶体管,其空穴场效应迁移率在0.11cm2/V·s,是单层器件的五倍。
4.在BP2T和氟代酞菁铜的双极型异质结晶体管中,采用对称的Au作为源漏电极来实现了两种载流子的同时有效注入(第三章)。这是由于BP2T的HOMO能级接近氟代酞菁铜的LUMO能级,因此选择一种功函数合适的电极材料来实现载流子的有效注入。
5.笔者发展了一个简单的模型来模拟BP2T和氟代酞菁铜异质结双极型晶体管的电流—电压特性(第四章)。根据这个模型给出了不同状态下沟道内电势以及载流子的分布状况,并且说明了双极型晶体管中两种载流子同时工作的机制。同时,在双极型晶体管中也观察到了载流子迁移率与栅压的依赖现象,并且其迁移率随温度的降低而降低。
6.在异质结薄膜的生长过程中,观察到了酞菁化合物在六连苯单分子层岛上的弱取向外延生长行为(第五章)。酞菁化合物分子直立排列在基底上,形成了大面积的取向畴。由这样的畴所构成的高质量有机薄膜取得了优异的器件性能,其场效应迁移率接近于单晶性质。在六连苯和氟代酞菁铜异质结晶体管中取得了0.1cm2/V·s以上的电子迁移率。而在六连苯和金属酞菁的异质结晶体管中,空穴迁移率也在0.1cm2/V·s以上,最高达到了0.3cm2/V·s。