基于多层电极底栅底接触并五苯有机场效应晶体管的研究.pdf

收稿日期:2 0 2 2-1 2-0 1作者简介:陈泽(1 9 8 9),男,本科,主要从事计量检定工作。马艺轩(1 9 8 9),女,本科,主要从事计量检定工作。张骞(1 9 9 0),男,本科,主要从事计量检定工作。刘丽珍(1 9 8 5),女,本科,主要从事计量检定工作。樊建锋(1 9 8 7),男,硕士,主要从事计量检定工作。刘鹏英(1 9 9 0),女,本科,主要从事计量检定工作。樊俊风(1 9 8 3),女,本科,从事教育工作。基于多层电极底栅底接触并五苯有机场效应晶体管的研究陈 泽,马艺轩,张 骞,刘丽珍,樊建锋,刘鹏英,樊俊风(内蒙古自治区计量测试研究院,内蒙古 呼和浩特 0 1 0 0 2 0)摘 要:一种底栅底接触漏/源(D/S)电极并五苯有机场效应晶体管(O F E T)被制备,并搭配了不同层次的缓冲层作为D/S的O F E T。结果表明,多层缓冲层电极修饰明显增强了O F E T的电荷注入,其中以V2O5/A l/V2O为D/S电极的O F E T展现出最佳的电学特性:有效场效应迁移率e f f=0.3 6 4 c m2V-1s-1,阈值电压VTH=-1 0 V和开/关比Io n/o f f1 04。其原因是接触电阻(RC)的降低改善了器件的电学性能。采用单晶体管法(S TM)代替常用的排线法(T LM)来计算接触电阻(RC)和沟道电阻(RCH),避免假设RC不随漏极电流(ID S)变化与实验不符。最终确定RC和RC H之间的相对变化关系,从而决定电荷如何从金属电极到有机半导体注入。关键词:缓冲层;场效应晶体管;底栅;底接触 中图分类号:T N 3 2 1+.5 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 76 9 2 1(2 0 2 3)1 70 0 9 00 4 有机场效应晶体管(O F E T)在低成本、大工艺和柔性电子产品(如电子传感器和柔性显示器)的广泛领域应用中引起了大量关注1。与有机发光二极管(O L E D)的电极结构类似,O F E T的电极通过控制电荷注入过程对确定晶体管的电特性起着至关重要的作用。在过去2 0年中,对O F E T中金属电极和O S C之间的各种电极修饰层进行了大量研究,如金属氧化物2、自组装单层(S AM)3、聚合物4和O S C的界面区掺杂5。得益于更好的缓冲材料和界面的使用,近年来O F E T得到了重大改进。在某种程度上,通过这些尝试,O F E T的电性能已朝着实际应用迈进了一步。然而,O F E T的性能仍然不足以广泛应用,因为它们受到从电极到O S C的电荷注入效率的限制,特别是对于具有高迁移率有机半导体和短沟道长度的底部接触(B C)O F E T更为明显。众所周知,确定电荷注入的主要参数之一是电极/O S C界面处不可避免的接触电阻(RC)。RC与高载流子注入势垒相关,这通常由电极和O S C之间的不相容性引起6。基于此,由于与顶部接触(T C)O F E T相比性能降低,B C O F E T通常不被使用。目前,B C有机晶体管的电荷注入增强仍然是一个瓶颈7。笔者团队实验研究了不同多层缓冲金属漏极/源极电极对底栅/底接触结构中并五苯基O F E T电性能的 影 响,并 在 这 些 器 件 中 研 究 了V2O5/A l/V2O5、V2O5/A l/M o O3和V2O5/A l/WO3三种多层电极结构。结果表明,与只有A l为D/S电极的O F E T相比,可以显著优化效应场效应迁移率和阈值电压。特别的,具有V2O5/A l/V2O5多层D/S电极的O F E T可以表现出比其他电极更好的电特性。由于电极/O S C界面处的RC降低,器件性能的提高与多层电极的电荷注入的增强有关。为此,随后根据单晶体管法对RC进行评估。计算结果证实,RC和RCH之间的相对变化关系可以控制电荷注入过092 0 2 3年9月内 蒙 古 科 技 与 经 济S e p t e m b e r 2 0 2 3第1 7期 总第5 3 1期I n n e r M o n g o l i a S c i e n c e T e c h n o l o g y&E c o n o m yN o.1 7 T o t a l N o.5 3 1程,从而影响器件行为。同时,有效场效应迁移率从0.0 0 1 8 c m2 V-1s-1增加到0.3 6 4 c m2 V-1s-1,阈值电压从-2 1 V降低到-1 0 V。因此,可以知道,选择合适的多层电极结构是调节和控制电荷注入的有效和可行的方法,特别是对于B C器件。1 实验底栅/底接触(B G B C)器件结构见图1。首先,使用氧化铟锡(I TO)作为栅电极在玻璃衬底上制备O F E T。用丙酮、乙醇、异丙醇和去离子水清洁玻璃基板。用聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作栅极电介质。将PMMA溶解在甲苯(5 0 m g/m L)中,在2 5 0 0 r p m下将聚合物膜旋涂在基底上,然后入干燥箱在1 2 0 下退火5 0 m i n。之后,通过掩模板在PMMA层上热蒸发薄1 0 n mV2O5,荫罩将沟道宽度(W)和长度(L)分别限定为2.5 mm和4 0 m。A l和V2O5(WO3或M o O3)在31 0-5 P a气压下形成D/S电极。最后,在21 0-5 P a的气压下热沉积6 0 n m的并五苯层,在室温和大气条件下,通过k e i t h l e y 2 4 0 0数字源表测量O F E T的电特性。图1 多层D/S电极的O F E T的示意结构2 结果和讨论首先考虑图2所示的双层电极B G B C,其中3种过渡金属氧化物层分别插入在A l和并五苯之间。与只有A l为电极的O F E T相比,具有双层电极的O F E T支持更好的电性能。同时,具有V2O5/A l电极的O F E T表现出比具有M o O3(WO3)/A l电极的O F E T s更好的电特性。与VD S=-4 0 V的只有A l为电极的O F E T相比,相应的传输电流增加了1 0 0倍。在只有V2O5/A l为源漏电极的B G B C O F E T基础 上,笔 者 进 一 步 制 备 了 分 别 以V2O5/A l/V2O5,V2O5/A l/M o O3和V2O5/A l/WO3为D/S电极的B G B C O F E T s。一方面,与上述实验(图2)相比,具有多层D/S电极的O F E T显著显示出更高的电特性,如图3所示。另一方面,具有V2O5/A l/V2O5 D/S电极的器件表现出最好的电特性。同时,当VD S=-4 0 V时,相应的传输电流可以达到6 5 A。图2 分别以A l、V2O5/A l、M o O3/A l和WO3/A l为D/S电极的并五苯O F E T的转移曲线图3 分别以V2O5/A l/V2O5、V2O5/A l/M o O3和V2O5/A l/WO3为D/S电极的并五苯O F E T的转移曲线分析O F E T的电气特性,包括e f f和VTH,它们是根据以下公式提取的:ID S=WCi2L(VG-VTH)2(1)其中:Ci是绝缘体的每单位面积的电容;VTH表示阈值电压。结果表明,与只有A l为D/S电极的器件相比,具有V2O5/A l/V2O5 D/S电极,O F E T的效率提高了7 0倍以上,VTH降低了1 0 V以上。相比较O F-E T的电学性能如表1所示。表1 在VD S=-4 0 V的各种O F E T器件的电学性能器件电极e f f/(c m2V-1s-1)VTH/V开关比RC/晶体管A l0.0 0 1 82 13.01 031.31 08晶体管V2O5/A l0.0 3 194.21 037.31 05晶体管M o O3/A l0.0 1 61 55.01 044.91 06晶体管WO3/A l0.0 2 91 26.01 022.11 08晶体管 V2O5/A l/V2O50.3 6 41 03.51 042.31 03晶体管V2O5/A l/M o O30.2 7 01 15.51 034.71 03晶体管 V2O5/A l/WO30.1 2 31 24.51 023.31 0419陈泽,等 基于多层电极底栅底接触并五苯有机场效应晶体管的研究2 0 2 3年第1 7期 在B G B C结构的O F E T插入薄过渡金属氧化物层来增强从电极表面和侧面到并五苯的电荷注入,从而增强其电学性能,如图4所示。最近几年不少学者证实,V2O5、M o O3和WO3可以用作空穴注入缓冲层,可实现有效的电荷注入。其中主要是因为这些氧化物中存在许多固有的氧空位缺陷,这使得它们成为n型半导体。如果源极具有n型氧化物作为缓冲层,对于从源电极的空穴跳到并五苯的HOMO能级存在较小的注入势垒。空穴注入势垒的减少主要是因为氧化物具有n型性质。缺陷的存在可以通过在带隙中形成额外的未被占据或被占据状态来改变空穴浓度。A l、并五苯和各种过渡金属氧化物的能带图如图5所示。图4 具有多层D/S电极的有机场效应晶体管的平面结构图5 A l、V2O5、M o O3、WO3和P e n t a c e n e(并五苯)的能带图 这里,V2O5的价带位于A l和并五苯之间,相当于存在一个阶梯,这比M o O3更利于电荷注入。然而,WO3的价带大于A l的费米能级,这将导致空穴存在着一定的势垒。源漏电极为V2O5/A l/WO3的O F E T的能级明显为s形,表明其存在空穴注入势垒,见图68。相反,电极为V2O5/A l/V2O5(或V2O5/A l/M o O3)多层膜的O F E T中不存在这样的问题,其中在V2O5(M o O3)/A l界面处也存在欧姆接触。具有多层电极的O F E T的相应转移电流如图7所示。而O F E T显示双极性传输,在施加栅极偏压时空穴电流高于电子电流。由于这种氧化物天然缺陷被用作电子注入层,从而降低了空穴注入势垒。而电子需要克服电极到并五苯的L UMO能级的势垒才能注入半导体层。具有V2O5/A l/V2O5多层膜的O F E T的提取空穴和电子迁移率分别为0.0 5 0.0 2 c m2V-1s-1和0.3 3 0.0 2 c m2V-1s-1。图6 以V2O5/A l/V2O5、V2O5/A l/M o O3和V2O5/A l/WO3为D/S电极的并五苯O F E T的输出曲线(VD S=-4 0 V)图7 以V2O5/A l/V2O5、V2O5/A l/M o O3和V2O5/A l/WO3为D/S电极的有机场效应晶体管的传输曲线(VG=-4 0 V)通常电极/氧化物界面存在相互作用,界面状态的化学反应和物理变化等现象可以改变金属、金属氧化物和有机半导体界面的能级,并在界面的前几纳米降低氧化物的氧化状态。这种化学反应的结果导致金属电极氧化,并且氧化物的性质对其厚度有很大的依赖性。图8显示了V2O5/A l/V2O5为D/S电极时,V2O5厚度对O F E T迁移率的影响。结果表明,V2O5的最佳厚度为1 0 n m。过薄的V2O5不能提供足够的功函数以获得良好的迁移率,而过29总第5 3 1期内 蒙 古 科 技 与 经 济厚的V2O5将产生绝缘氧化物膜以阻碍电荷注入。图8 不同V2O5厚度的V2O5/A l/V2O5 电极有机场效应晶体管的迁移率从以上讨论中可以明显看出,R S C对电荷注入至关重要。笔者采用单晶体管方法来获得接触电阻。通常的排线法通过在常数(VD S,VG)下将RT外推到零LCH来评估RC,其中RC独立于LCH和ID S。事实上RC会随着ID S的降低而改变9,从而这个假设很难满足。用单晶体管方法只需要测量单个晶体管的两个输出电流,而不需要测量器件1 0。在该方法中,漏极电流(ID S)由下式给出:ID S=(S-D)(2)其中:是物理和几何参数的前因子;表示O S C能量无序;D和S分别是漏极和源极的电势。RCH和RC由等式给出(3)和(4):RCH=ID SVD S -1=1-1D(3)RC=RT-RCH(4)依据方程(3)和(4)计算接触电阻和通道电阻,RC和RC H对漏极电压(VD S)的依赖性相反。RC在小的漏极偏置范围(0 VVD S-4 V)内表现出明显的VD S依赖性,其中RC随着VD S的增加呈指数下降。在漏极电压较高时(-4 VVD S-1 2 V),RC保持其值小得可以忽略不计。这里RC降低,因为电场增强了电荷注入过程。在漏极电压较低时RC的大变化与O F E T的高电导相关。而RC H在整个漏极偏置范围内随着VD S的增加而增加,因为O F E T正朝着饱和方向移动。O F E T中接触电阻的非线性降低强烈依赖于VD S,VD S在电荷注入过程中起着重要作用。从多层电极的O F E T在线性和饱和状态下的场效应迁移率以V2O5/A l/V2O5为D/S电极的O F E T为例,迁移率值在-4 0 VVG-2 0 V时几乎恒定,但在VG时增加到峰值为1 0 V。在线性状态和饱和状态下,迁移率随栅极偏置有类似的变化。因此,确认VG为-1 0 V处的迁移率峰值约是呈指数变化接触电阻相对于缓慢变化沟道电阻的结果。类似地,可以在V2O5/A l/M o O3(WO3)为D/S电极的O F E T中观察到这样的迁移率峰值。这也表明,栅压条件下可能会导致迁移率峰值行为。这将允许准费米能级更快地穿过并五苯的带隙,并使电流随着栅极偏压的增加而更快地增加。3 结束语电荷注入是B C O F E T的关键参数,可以通过RC和RCH之间的相对变化关系来控制。结果表明,通过引入n型过渡金属氧化物层改善O F E T的电学性能之外,多层电极还可以显著增强空穴的注入。这样的注入氧化物层可以减少空穴的注入势垒。从而可以看出B G B C器件结构对于多缓冲层电极有着一定优势。从上述研究中,我们确定多层电极适当的组合为底接触O F E T设计提供了一种新的考虑方法。参考文献1 Z HANG L e i,WANG H a n l i n,Z HAO Y a n,e t a l.S u b s t r a t e-f r e e u l t r a-f l e x i b l e o r g a n i c f i e l d-e f f e c t t r a n s i s t o r s a n d f i v e-s t a g e r i n g o s c i l l a-t o r sJ.A d v a n c e d m a t e r i a l s(D e e r f i e l d B e a c h,F l a.),2 0 1 3,2 5(3 8).2 HR K a r i m i-A l a v i j e h,A E h s a n i.T h e e f f e c t o f m e t a l-b u f f e r b i l a y e r d r a i n/s o u r c e e l e c t r o d e s o n t h e o p e r a t i o n a l s t a b i l i t y o f t h e o r g a n i c f i e l d e f f e c t t r a n s i s t o r sJ.T h i n S o l i d F i l m s,2 0 1 5,5 9 0.3 R N o u c h i,Y K u b o z o n o.A n o m a l o u s h y s t e r e-s i s i n o r g a n i c f i e l d-e f f e c t t r a n s i s t o r s w i t h S AM-m o d i f i e d e l e c t r o d e s:S t r u c t u r a l s w i t c-h i n g o f S AM s b y e l e c t r i c f i e l dJ.O r g a n i c E l e c t r o n i c s,2 0 1 0,1 1(6).4 HAN S,YANG X,Z HUANG X,e t a l.T a i-l o r i n g t h e D i e l e c t r i c L a y e r S t r u c t u r e f o r E n-h a n c e d P e r f o r m a n c e o f O r g a n i c F i e l d-E f f e c t T r a n s i s t o r s:T h e U s e o f a S a n d w i c h e d P o l a r D i e l e c t r i c L a y e rJ.M a t e r i a l s,2 0 1 6,9(7).(下转第1 4 1页)39陈泽,等 基于多层电极底栅底接触并五苯有机场效应晶体管的研究2 0 2 3年第1 7期多就业岗位。乡村振兴要同时做到产业规划与人力资源的开发,工业发展与人才发展的无缝衔接,要把招商引资和吸引人才有机地结合在一起,要做到“一村一品”“一乡一特”“一县一业”的产业结构和层次分明,实现精准引才,杜绝同类型人才“归大户”的现象发生,另一方面也要避免重复、分散地引入人才。参考文献1 中共中央办公厅,国务院办公厅.关于加快推进乡村人才振兴的意见E B/O L.(2 0 2 1-0 2-2 3)2 0 2 2-1 1-0 1.h t t p:/www.g o v.c n/x i n w e n/2 0 2 1-0 2/2 3/c o n t e n t 5 5 8 8 4 9 6.h t m.2 中共中央、国务院.关于做好2 0 2 2年全面推进乡村振兴重点工作的意见E B/O L.(2 0 2 2-0 1-0 4)2 0 2 2-1 1-0 1.h t t p:/www.g o v.c n/z h e n g c e/2 0 2 2-0 2/2 2/c o n t e n t 5 6 7 5 0 3 5.h t m.3 朱德全,王志远.协同与融合:职业教育服务乡村振兴的逻辑理路J.陕西师范大学学报(哲学社会科学版),2 0 2 1(5):1 1 4-1 2 5.4 梁裕,韦大宇.职业教育服务乡村产业振兴的内在逻辑、实践困境与实现路径J.教育与职业,2 0 2 1(2 2):3 5-4 0.5 卢文凤,徐小容,赵福奎.困境与突破:职业教育助推乡村振兴的实践偏差与模式创新J.中国职业技术教育,2 0 2 0(7):2 1-2 7.6 田真平,高鹏.职业教育助力乡村产业振兴的实践困境和服务模式J.教育与职业,2 0 2 1(9):5-1 0.7 邱金林,韦家旭.乡村振兴背景下农村职业教育的困境与转型J.教育与职业,2 0 2 1(1 6):8 5-8 9.8 祁占勇,王志远.乡村振兴战略背景下农村职业教育的现实困顿与实践指向J.华东师范大学学报(教育科学版),2 0 2 0(4):1 0 7-1 1 7.9 朱忠义,郭广军,周凌博.高职教育产教融合赋能乡村振兴战略的问题与推进策略J.教育与职业,2 0 2 1(1 5):1 2-1 8.1 0 石丹淅.新时代农村职业教育服务乡村振兴的内在逻辑、实践困境与优化路径J.教育与职业,2 0 1 9(2 0):5-1 1.1 1 杨磊,朱德全.民族地区职业教育与乡村振兴耦合机制研究J.西南大学学报(社会科学版),2 0 2 1(5):1 4 1-1 4 9.1 2 杨郁松,奚照寿,钱小莉,等.培养新型职业农民筑牢乡村振兴之基:江苏省东台市试行农民中高职衔接教育的实践与思考J.农民科技培训,2 0 1 9(4):1 9-2 1.1 3 陈池波,韩占兵.农村空心化、农民荒与职业农民培育J.中国地质大学学报(社会科学版),2 0 1 3(1):7 4-8 0,1 3 9.(上接第9 3页)5 WAKAT S UK I Y,NO D A K,WA D A Y,e t a l.M o l e c u l a r d o p i n g e f f e c t i n b o t t o m-g a t e,b o t t o m-c o n t a c t p e n t a c e n e t h i n-f i l m t r a n-s i s t o r sJ.J o u r n a l o f A p p l i e d P h y s i c s,2 0 1 1,1 1 0(5).6 S c h e i n e r t S,G r o b o s c h M,S p r o g i e s J,e t a l.O r g a n i c6,6-p h e n y l-C 6 1-b u t y r i c-a c i d-m e t h y l-e s t e r f i e l d e f f e c t t r a n s i s t o r s:A n a l y s i s o f t h e c o n t a c t p r o p e r t i e s b y c o m b i n e d p h o t o-e m i s s i o n s p e c t r o s c o p y a n d e l e c t r i c a l m e a s-u r e m e n t sJ.J o u r n a l o f A p p l i e d P h y s i c s,2 0 1 3,1 1 3(1 7).7 J I A N G T a o,X U E Z h o n g y u a n,F O R D M i c h a e l,e t a l.A n u l t r a-l o w b a n d g a p d i k e t o p y r r o l o p y r r o l e(D P P)-b a s e d p o l y m e r w i t h b a l a n c e d a m b i p o l a r c h a r g e t r a n s p o r t f o r o r g a n i c f i e l d-e f f e c t t r a n s i s-t o r sJ.R S C A d v a n c e s,2 0 1 6,6(8 2).8 B r o n d i j k J,T o r r i c e l l i F,S m i t s E,e t a l.G a t e-b i a s a s s i s t e d c h a r g e i n j e c t i o n i n o r g a n i c f i e l d-e f f e c t t r a n s i s t o r sJ.O r g a n i c E l e c t r o n i c s,2 0 1 2,1 3(9).9 YANG J G,S e a h W L,GUO H,e t a l.C h a r a c-t e r i z a t i o n o f o h m i c c o n t a c t s i n p o l y m e r o r g a n i c f i e l d-e f f e c t t r a n s i s t o r sJ.O r g a n i c E-l e c t r o n i c s,2 0 1 6,3 7:4 9 1-4 9 7.1 0 T o r r i c e l l i F,G h i t t o r e l l i M,C o l a l o n g o L,e t a l.S i n g l e-t r a n s i s t o r m e t h o d f o r t h e e x t r a c-t i o n o f t h e c o n t a c t a n d c h a n n e l r e s i s t a n c e s i n o r g a n i c f i e l d-e f f e c t t r a n s i s t o r sJ.A p p l i e d P h y s i c s L e t t e r s,2 0 1 4,1 0 4(9).141王媛媛,等 职业教育助力乡村振兴战略实施的文献综述及路径研究2 0 2 3年第1 7期