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有机场效应晶体管的半导体/介电层界面性质对场效应晶体管的载流子传输有着十分重要的影响。因此,随着有机场效应晶体管的不断发展,半导体/介电层界面研究越来越受到人们的重视。在本论文中,首先对有机场效应晶体管的半导体/介电层界面进行系统的研究,总结了界面非均匀性对半导体形貌以及有机场效应晶体管性能的影响。随后,通过利用界面非均匀性实现半导体生长形貌的优化,成功地制备了高性能有机场效应晶体管及电路。最后,对有机场效应晶体管的柔性和阈值电压的调控进行了研究,并对有机场效应晶体管的实际应用进行探索。本论文主要的研究工作包括以下四个方面:
1.在对基于多种有机半导体材料制备的场效应晶体管的半导体/介电层界面进行研究之后,首次发现介电层表面能非均匀性对半导体层生长形貌,以及有机场效应晶体管的载流子迁移率均有十分重要的影响。随后,提出了一个介电层表面能非均匀性影响的计算模型,通过计算发现介电层表面能非均匀程度,与有机场效应晶体管的迁移率成线性反比例关系。这一结论证明在有机场效应晶体管的研究中,介电层表面能非均匀性这一因素绝不应该被忽视。在有机场效应晶体管的半导体/介电层界面研究中,由“统计平均”的粗略研究模式,提高到“统计非均匀”的模式,标志着有机场效应晶体管的界面研究前进了一步。
2.发明了一种利用共混高聚物介电层对有机半导体层形貌调控来增强晶体管性能的方法。通过对并五苯层的晶界优化和成核控制,并五苯薄膜的生长形貌得到了极大优化,场效应晶体管的平均迁移率因此提高到3.6cm2/Vs。随后,通过提高并五苯晶体管的集成程度,我们成功制备了高性能、柔性PMOS倒相器(增益接近70)和环形振荡器(频率1.61kHz)。上述提高并五苯场效应晶体管性能的这一方法,与依靠提高介电层表面态均匀程度来实现器件性能提高的传统方法在机理上完全不同。这一基于利用介电层表面非均匀性实现对有机半导体形貌调控,以及有机场效应晶体管性能提高的新机理的提出,对有机场效应晶体管的界面理论研究具有重要意义。
3.制备了以多种高分子材料作为介电层的柔性有机场效应晶体管。发现基于PPO介电层的晶体管不仅具有较高的载流子迁移率,而且表现出优异的耐屈挠性质:可以耐受5000次弯曲而性能无明显变化。随后,在这一柔性单管的基础上,进一步制备PMOS型环形振荡器(频率800Hz)和CMOS型环形振荡器(频率600Hz),这些在PPO介电层上构筑的柔性振荡电路同样表现出较高的耐屈挠性质。
4.制备了基于古马隆-茚树脂介电修饰层的并五苯场效应晶体管。由于古马隆-茚树脂介电修饰层优良的表面性质,并五苯场效应晶体管显示出较高的载流子迁移率和极佳的操作稳定性。通过改变初始扫描栅电压,该有机场效应晶体管可以简单地在空气或氮气环境中实现精确的阈值电压控制。最后,根据不同气氛下该晶体管阈值电压调控的幅度差异,提出了一种基于空气辅助电荷捕获与介电层电荷存储对有机场效应晶体管阈值电压调控的机理。