基于可图形化聚合物栅绝缘体的有机薄膜晶体管性能研究

• 作 者: 许鑫
• 机 构: 上海交通大学
• 出 处: 上海交通大学
• 发表日期: 2015年01期
• 关键词: 聚硅氧烷 栅绝缘层 有机薄膜晶体管 可图形化 聚合物

有机薄膜晶体管（Organic Thin-Film Transistor，OTFT）在柔性电子、低成本制造、大面积显示等领域的潜在应用价值，受到了广泛的关注和重视。其中聚合物有机薄膜晶体管所具有的溶液法制备工艺、良好的机械性能、低温制备等方面的优势吸引着研究人员不断进行深入的研究。近年来，随着有机材料性能的不断提升以及制备工艺的不断优化，有机薄膜晶体管的性能已经接近于多晶硅晶体管的性能。　　要制备高性能的有机薄膜晶体管，理想的栅极绝缘体材料与有机半导体材料同样重要。理想的栅极绝缘体材料应该具有高夹断电压、长时间的稳定性以及与基板之间有良好的兼容性。例如 poly(vinyl phenol)(PVP)，poly(vinyl alcohol)(PVA)，poly(methyl，methacrylate)(PMMA)和polyimide(PI)等的有机聚合物，由于具有良好的加工性能和电学特性而被广泛的用作栅绝缘层材料，它们可以形成大面积、均匀且具有良好延展性的膜，然而在低成本和大面积应用领域，聚合物绝缘体材料还应该能够图形化形成高分辨率的图案并且可以在低温条件下进行制备。本文主要基于一种可紫外线固化的高分子硅氧烷材料，该材料具有负光刻胶特性，同时也可以作为绝缘层材料，利用溶液法进行制备。　　本文首先测试了这种聚硅氧烷绝缘体材料的基本性能，利用了原子力显微镜观测该聚合物成膜的表面平整度，测得其表面高度均方值为0.38nm，表明该硅氧烷材料薄膜具有良好的表面平整度；接着采用一种金属-绝缘层-金属（metal-insulator-metal，MIM）结构来测试该硅氧烷材料作为绝缘层的绝缘性能，测得其相对介电常数为3.7，并且当外加电场1MV/cm下漏电流密度为~2.6×10-9 A/cm2,表明了该聚硅氧烷材料具有良好的绝缘性能。　　接着基于此聚硅氧烷材料，并结合一种新型有机半导体材料，利用溶液法工艺制备了底栅顶接触式的有机薄膜晶体管器件，同时详细讨论了绝缘体材料的溶液浓度、旋涂速度、有机栅绝缘层（Organic Gate Insulator，OGI）和半导体层（Organic Semiconductor，OSC）的退火温度、绝缘层表面预处理情况对有机薄膜晶体管器件性能的影响，通过优化工艺参数得到最优的器件性能。随后与使用另外两种绝缘体材料作为栅绝缘层的有机薄膜晶体管的性能进行了对比，并就有机薄膜晶体管中的常见性能问题进行了讨论。　　最后，利用这种聚硅氧烷材料和新型有机半导体材料的组合来在PET柔性衬底上制备有机薄膜晶体管，制备温度不超过150℃，并给出了详细的制备过程以及工艺参数。制得的柔性有机薄膜晶体管迁移率为~0.5cm2V-1s-1，亚阈值摆幅降至~1.87V/dec，开关比大于105，并且当外加电场1MV/cm下漏电流密度低于~2.28×10-5A/cm2。