襯底加熱和電極修飾對提高有機場效應(yīng)晶體管性能的影響

鄭靈程, 蔣 晶, 王 倩, 吳 峰, 程曉曼,2*

(1. 天津理工大學(xué) 理學(xué)院， 天津 300384；2. 天津理工大學(xué)教育部顯示材料與光電器件重點實驗室 天津光電材料與器件重點實驗室， 天津 300384)

襯底加熱和電極修飾對提高有機場效應(yīng)晶體管性能的影響

鄭靈程1, 蔣 晶1, 王 倩1, 吳 峰1, 程曉曼1,2*

(1. 天津理工大學(xué) 理學(xué)院， 天津 300384；2. 天津理工大學(xué)教育部顯示材料與光電器件重點實驗室 天津光電材料與器件重點實驗室， 天津 300384)

通過襯底加熱和氧化鉬(MoO3)修飾源漏極制備了并五苯有機場效應(yīng)晶體管。研究了襯底溫度和電極修飾層厚度對器件性能的影響。實驗結(jié)果表明：當(dāng)襯底溫度為60 ℃、MoO3修飾層為10 nm時，器件性能獲得了顯著增強，場效應(yīng)遷移率由原來的3.39×10-3cm2/(V·s)提高到2.25×10-1cm2/(V·s)，閾值電壓由12 V降低到3 V。器件性能的改善歸因于：襯底加熱可以優(yōu)化有源層形貌，改善載流子傳輸；而MoO3修飾層顯著降低了電極與有源層之間的接觸勢壘，提高了載流子的注入。因此，襯底加熱與電極修飾對于制備高性能有機場效應(yīng)晶體管是不可或缺的優(yōu)化手段。

有機場效應(yīng)晶體管； 襯底加熱； 電極修飾； 載流子注入傳輸

1 引 言

近年來，有機場效應(yīng)晶體管(OFTEs)由于具有制造成本低、工藝簡單、可低溫大面積生產(chǎn)等優(yōu)勢[1]，在柔性電路、電子紙、光電探測器、有源矩陣顯示的驅(qū)動電路等方面有著巨大的應(yīng)用價值而受到廣泛關(guān)注[2-5]。迄今為止，盡管OFETs的研究獲得了巨大的進步，但仍未滿足實際應(yīng)用的需要，如器件性能、穩(wěn)定性等都需要進一步改善，因而進一步研究提高OFETs性能至關(guān)重要。

對于OFETs而言，載流子的注入和傳輸均對器件性能起著重要作用。研究表明通過襯底加熱改善有源層形貌是優(yōu)化載流子傳輸?shù)挠行侄巍桥娴葓蟮懒瞬⑽灞奖∧の⒂^結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)與OFETs性能間的關(guān)系[6]，但僅采用了TOF法來計算場效應(yīng)遷移率。在改善載流子注入的研究方面，Yang Y小組提出在電極和有機半導(dǎo)體層之間插入過渡金屬氧化物來提高p型OFETs的空穴注入的方法[7],之后又有采用TiO2、Ta2O5、GeO等作為緩沖層來改善OFETs性能的一些報道[8-9]。但綜合利用襯底加熱技術(shù)和插入緩沖層增強載流子的注入傳輸，探索其規(guī)律性的變化，對于提高OFETs器件性能仍具重要意義。

本研究采用襯底加熱和插入MoO3修飾電極兩種手段，制備出底柵頂接觸并五苯OFETs,觀察到器件性能有顯著的提高，確定了最佳的襯底溫度和優(yōu)化的緩沖層厚度。

2 實 驗

本研究的底柵頂接觸的OFETs器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)和(b)所示，分別采用了單層鋁電極和MoO3修飾鋁電極的并五苯有機場效應(yīng)晶體管。器件的制備過程如下：首先分別用乙醇、丙酮、異丙醇和去離子水清洗ITO玻璃，之后在150 ℃溫度下烘干。再在其上旋涂390 nm厚的PMMA，放入120 ℃手套箱中退火2 h。在襯底溫度分別為15，30，60，90 ℃的條件下在絕緣層上蒸鍍一層50 nm的并五苯有源層。蒸鍍速率和真空度分別為0.01 nm/s和2×10-4Pa，蒸鍍過程如圖1(c)所示。最后用掩模板在并五苯有源層上蒸鍍一層120 nm厚的鋁電極，蒸鍍速率為0.04 nm/s，真空度為2×10-4Pa，溝道長寬分別為80 μm和3 mm。在確定出的最佳襯底溫度條件下，制備MoO3/Al雙層做復(fù)合電極的OFETs，用來研究MoO3修飾層對器件性能的影響，修飾層厚度分別為5，10，15，20 nm。所有電學(xué)測試過程均在室溫大氣環(huán)境中進行，使用的儀器為兩臺Keithley 2400源表和一臺Keithley 485皮安表。

圖1 鋁電極(a)和MoO3/Al復(fù)合電極(b)的并五苯OFETs結(jié)構(gòu)圖；襯底加熱在并五苯蒸鍍過程中的示意圖(c)。

Fig.1 Structure of pentacene-based OFETs with Al-only (a) and MoO3/Al (b) electrodes, respectively. Schematic diagram of pentacene evaporation process with substrate heating(c) .

3 結(jié)果與討論

3. 1 襯底加熱對器件性能的影響

圖2給出了柵壓為-40 V，襯底溫度分別為15，30，60，90 ℃條件下制備的器件的輸出特性曲線，它們均展示出了典型的p型溝道特性。由圖2可以觀察到，當(dāng)襯底溫度為30 ℃時，器件的飽和源漏電流IDS比15 ℃時的稍有提高，襯底溫度提高到60 ℃時，器件的IDS迅速增長，達到0.13 μA，而當(dāng)90 ℃時IDS卻有所降低，為0.1 μA。當(dāng)OFET在飽和區(qū)工作時，IDS滿足下列公式[10]:

(1)

其中，W是溝道寬度，L是溝道長度，Ci是絕緣層單位面積的電容，μ是場效應(yīng)遷移率，VGS是柵壓，VTH是閾值電壓。利用公式(1)計算出在15，30，60，90 ℃襯底溫度下，器件場效應(yīng)遷移率分別為2.9×10-4，4.1×10-4，3.39×10-3，2.35×10-3cm2/(V·s)。場效應(yīng)遷移率變化趨勢如圖2中的插圖所示。

圖2 不同襯底溫度下，器件在-40 V柵壓的輸出特性曲線，插圖為不同襯底溫度下器件場效應(yīng)遷移率變化趨勢曲線。

Fig.2 Output characteristics of devices with different substrate temperature for a fixedVGSof -40 V, the inset shows the field-effect mobility of devices with different substrate temperature.

為了分析襯底加熱對器件性能的影響，需要考慮有機半導(dǎo)體材料的遷移率和薄膜的晶粒大小、晶粒間距之間的關(guān)系。如下述公式所示[11]：

公式中m*為約化質(zhì)量，LG為有機材料的顆粒大小，LGB為顆粒間距，Eb為費米能級與本征能級的差值。由公式可知，器件的遷移率大小和薄膜中晶粒大小成正比，與晶粒間距成反比。經(jīng)過襯底加熱后的器件，有機薄膜的晶粒尺寸會變大，但同時晶粒間距也會隨之變大。前者對提高器件的遷移率有幫助，后者會抑制器件的遷移率。因此，只有在器件中有源層晶粒大小適當(dāng)、間距也不太大的情況下，器件的遷移率才能達到最高。正因如此，60 ℃襯底溫度條件下器件的性能最好，而高于90 ℃時器件性能反而降低。

3. 2 MoO3修飾鋁電極對器件性能的影響

基于上述實驗得到的最佳襯底溫度條件，進一步研究在Al電極和并五苯之間插入MoO3修飾層對器件性能的影響，為此制備了結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示的器件。圖3(a)給出了只有Al做電極的并五苯OFETs的輸出特性曲線。從圖中看出器件具有p溝道特性，輸出電流在源漏電壓40 V時達到0.13 μA，同時可以發(fā)現(xiàn)在低源漏電壓區(qū)域出現(xiàn)了負電流(圖中圓圈標出)。圖3(b)給出了帶有10 nm MoO3修飾層的并五苯OFETs的輸出特性曲線，由圖可見Isat達到了0.04 mA，而且低源漏電壓區(qū)域的負電流也消失了(圖中圓圈標出)，根據(jù)飽和區(qū)內(nèi)源漏電流公式(1)可以得出器件的遷移率為2.25×10-1cm2/(V·s)，與沒有修飾層的器件相比遷移率提高了66倍。器件的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖4(a)和(b)所示，可以看到閾值電壓Vth(切線在X軸上的截距)也有所降低，由12 V降低到3 V。此外，可以觀察到用10 nm MoO3修飾的器件出現(xiàn)一定程度的關(guān)態(tài)電流偏大，這可能是由于器件中并五苯在大氣環(huán)境中產(chǎn)生的微量摻雜引起的[12]。

為了考察MoO3修飾層厚度與器件性能之間的關(guān)系，我們制備了MoO3修飾層厚度分別為5，15，20 nm的器件。圖5為器件修飾層厚度與遷移率的關(guān)系曲線，可以看出帶有10 nm MoO3修飾層的器件展示出了最佳的性能。這是由于太薄的MoO3修飾層不足以阻擋Al 原子向有源層的擴散，偶極層依然存在，導(dǎo)致空穴勢壘較高，其性能沒有大變化。隨著厚度增加，MoO3形成穩(wěn)固的阻擋層，有效降低了Al 原子的擴散，器件性能逐漸提高[13]。當(dāng)MoO3厚度超過10 nm 并繼續(xù)增加時, 由于MoO3能帶較寬，導(dǎo)電性較差，這樣相當(dāng)于增加了一個不斷變大的串聯(lián)電阻,造成器件性能又開始逐漸變差。因而當(dāng)MoO3修飾層厚度為10 nm時器件具有相對更好的性能。

圖3 溝道長度為80 μm、寬度為5 mm的并五苯OFETs在不同柵壓下的輸出特性曲線。(a)只有Al做電極；(b)帶有10 nm厚的MoO3修飾層的Al電極。

Fig.3 Output characteristics of pentacene-based OFETs with a channel length of 80 μm and width of 5 mm for various gate voltages with Al-only as S/D electrodes (a) and 10 nm MoO3/Al as S/D electrodes (b)

圖4 溝道長度為80 μm、寬度為5 mm的并五苯OFETs在-40 V源漏電壓下的轉(zhuǎn)移特性曲線。(a)只有Al做電極；(b)帶有10 nm厚的MoO3修飾層的Al電極。

Fig.4 Transfer characteristics of pentacene-based OFETs with a channel length of 80 μm and width of 5 mm for a fixedVDSof -40 V with Al-only as S/D electrodes (a) and MoO3(10 nm)/Al as S/D electrodes (b)

我們進一步從電極與有源層間的接觸電阻方面研究和分析插入MoO3引起器件性能提高的原因。為了得到接觸電阻，我們還制作了溝道長度分別為80，100，120，160 μm，帶有10 nm 厚MoO3修飾層的器件，由排線法(TLM)計算出接觸電阻。器件在線性區(qū)的總電阻RT可由下式表示[14]：

圖5 不同MoO3修飾層厚度下的器件場效應(yīng)遷移率和閾值電壓

Fig.5 Field-effect mobility and threshold voltage of the devices with different thicknesses of MoO3buffer layer

(3)

圖6 10 nm MoO3修飾的器件的總電阻RT隨著溝道長度L的變化圖

Fig.6 Plots for total resistanceRTvs. channel lengthLof the devices with 10 nm MoO3layer modification

表1 不同柵壓下10 nm厚MoO3修飾的器件總電阻RT、接觸電阻RC和未修飾器件的接觸電阻R*C

-VGS/VRT/MΩRC/MΩR*C/MΩ4030201.532.624.691.111.913.464861143

4 結(jié) 論

制備了襯底加熱和MoO3修飾源漏電極的并五苯有機場效應(yīng)晶體管，研究了襯底溫度和電極修飾層厚度對器件性能的影響?；?0 ℃的襯底溫度優(yōu)化條件和10 nm MoO3修飾，器件場效應(yīng)遷移率達到2.25×10-1cm2/(V·s)，比未修飾器件提高了66倍。閾值電壓從12 V降到3 V，并且低源漏電壓區(qū)域的負電流消失。器件性能的改善歸因于：襯底加熱可以優(yōu)化有源層形貌，改善載流子傳輸；而MoO3修飾層顯著降低了電極與有源層間的接觸勢壘，提高了載流子注入。

[1] Guo Y L, Yu G, Liu Y Q. Functional organic field-effect transistors [J].Adv.Mater., 2010, 22(40):4427-4447.

[2] Feng W L, Huang P. Advances in flexible displays substrates [J].Chin.J.Liq.Cryst.Disp.(液晶與顯示), 2012, 27(5):599-607 (in Chinese).

[3] Gelinck G H, Huitema H E A, Van Veenendaal E,etal. Flexible active-matrix displays and shift registers based on solution-processed organic transistors [J].Nat.Mater., 2004, 3(2):106-110.

[4] Murphy A R, Fréchet J M J. Organic semiconducting oligomers for use in thin film transistors [J].Chem.Rev., 2007, 107(4):1066-1096.

[5] Xie J P, Lv W L, Yang T,etal. The photoresponsive organic field-effect transistors based on copper phthalocyanine [J].Chin.J.Lumin.(發(fā)光學(xué)報), 2012, 33(9):991-995 (in Chinese).

[6] Wu P, Wang Y, Pang S M,etal. Growth for thin film of organic semiconductor pentacene [J].Chin.J.Electron.Dev.(電子器件), 2005, 28(1):13-15 (in Chinese).

[7] Chu C W, Li S H, Chen C W,etal. High-performance organic thin-film transistors with metal oxide/metal bilayer electrode [J].Appl.Phys.Lett., 2005, 87(19):193508-1-3.

[8] Darmawan P, Minari T, Kumatani A,etal. Reduction of charge injection barrier by 1-nm contact oxide interlayer in organic field effect transistors [J].Appl.Phys.Lett., 2012, 100(1):013303-1-3.

[9] Alam M W, Wang Z K, Naka S,etal. Mobility enhancement of top contact pentacene based organic thin film transistor with bi-layer GeO/Au electrodes [J].Appl.Phys.Lett., 2013, 102(6):061105-1-3.

[10] Hu Y S, Lu Q P, Li H,etal. Low-voltage, high-mobility air-stable ambipolar organic field-effect transistors with a voltage-dependent off-current state and modest operational stability [J].Appl.Phys.Express, 2013, 6(5):051602-1-3.

[11] Horowitz G. Tunnel current in organic field-effect transistors [J].Synth.Met., 2003, 138(1-2):101-105.

[12] Diallo K, Erouel M, Tardy J. Pentacene field-effect transistors with a laminated MylarTMfoil as gate dielectric [J].Appl.Phys.Lett., 2006, 89(23):233512-1-3.

[13] Ishii H, Sugiyama K, Ito E,etal. Energy level alignment and interfacial electronic structures at organic/metal and organic/organic interfaces [J].Adv.Mater., 1999, 11(8):605-625.

[14] Wang S D, Miyadera T, Minari T,etal. Correlation between grain size and device parameters in pentacene thin film transistors [J].Appl.Phys.Lett., 2008, 93(4):043311-1-3.

[15] Zhao G, Cheng X M, Tian H J,etal. Improved performance of pentacene organic field-effect transistors by inserting a V2O5metal oxide layer [J].Chin.Phys.Lett., 2011, 28(12):127203-1-4.

Influence of Substrate Heating and Electrodes Modifying on Performance of Organic Field-effect Transistor

ZHENG Ling-cheng1, JIANG Jing1, WANG Qian1, WU Feng1, CHENG Xiao-man1,2

(1.SchoolofScience,TianjinUniversityofTechnology,Tianjin300384,China; 2.KeyLaboratoryofDisplayMaterialandPhotoelectricDevices,MinistryofEducation,TianjinKeyLaboratoryofPhotoelectricMaterialsandDevice,TianjinUniversityofTechnology,Tianjin300384,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:chengxm@tjut.edu.cn

The pentacene-based organic field-effect transistor (OFET) with a thin transition metal oxide (MoO3) layer between pentacene and metal (Al) source/drain electrodes was fabricated by using substrate heating. The effects of substrate heating and MoO3modifying electrodes on their performance were investigated. Comparing with OFET which only has metal Al source/drain electrodes, the performance of device with 10 nm MoO3buffer layer is significantly enhanced under 60 ℃ substrate temperature. The field-effect mobility increased from 3.39×10-3cm2/(V·s) to 2.25×10-1cm2/(V·s), meanwhile the threshold voltage decreased from 12 V to 3 V, respectively. The enhanced performances are attributed to the improvement of the high efficiency of carrier transportation and injection, which were introduced by heating substrate and inserting MoO3buffer layer between electrodes and active layer. Therefore, the means of substrate heating and electrodes modification are indispensable for high performance OFET.

organic field-effect transistors; substrate heating; electrodes modification; carrier injection and transportation

鄭靈程(1990-)，男，安徽淮南人，碩士研究生，2012年于天津理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事有機光電子器件方面的研究。

E-mail： 15122553897@163.com

程曉曼(1955-)，女，浙江平陽人，博士，教授，主要從事有機光電子器件方面的研究。

E-mail： chengxm@tjut.edu.cn

1000-7032(2015)05-0521-05

2015-02-02；

2015-03-13

國家自然科學(xué)基金(61076065)資助項目

O47

A

10.3788/fgxb20153605.0521