聚合物薄膜晶体管制备条件对其性能影响分析

谢应涛，欧阳世宏，王东平，朱大龙，许 鑫，方汉铿

（1.上海交通大学 电子工程系，上海 200240；2.TFT－LCD关键材料及技术国家工程实验室，上海 200240）

1 引 言

有机薄膜晶体管（Organic Thin－film Tran－sistors，OTFTs）［1－2］因其工艺简单、成本低廉、易封装、以及可大面积批量生产等特点，使其在有机半导体器件的研究领域受到国内外研究人员广泛的关注，其应用领域包括：智能卡、传感器、无线射频识别标签、平板显示、电子纸等［3－6］。特别是聚合物有机薄膜晶体管可以通过更加价廉的溶液法工艺制备而成，近年来更是成为国内外诸多课题组的研究对象。通常有机半导体对空气较为敏感，呈现出空气中不稳定的特性，因此目前包括旋涂和退火等制备工艺均在惰性环境中进行。基于这一认知，目前几乎没有相关报道进行研究器件制备环境对其性能的影响。

为了充分地了解聚合物有机薄膜晶体管的制备环境对其性能的影响，本文以一种高性能的稠合噻吩－吡咯并吡咯二酮聚合物为例［7］，在空气和氮气的不同环境下旋涂和退火有源层制备薄膜晶体管，并通过对比其电学特性研究制备环境对器件特性的影响。结果表明在空气和氮气中旋涂的聚合物薄膜晶体管的特性几乎完全相同，但是在氮气环境下退火的器件的饱和迁移率是在空气中退火的器件的两倍多，并且这一结论在100°C～190°C的退火温度均适用。这一结论为制备聚合物有机薄膜晶体管降低了门槛，也为进一步降低聚合物有机薄膜晶体管的制作成本提供了可能。

2 实 验

2.1 聚合物半导体溶液配制

本文的聚合物半导体材料由康宁公司提供的稠合噻吩－吡咯并吡咯二酮聚合物半导体（PTDPPTFT4），分子结构如图1所示。以5mg／mL的浓度溶于 1，2，4－三氯苯（Trichlorobenzene；TCB）有机溶剂，置于120°C热板上加热搅拌2h以便充分溶解。图2给出了有机薄膜晶体管的器件结构示意图，其中基板为N型重掺杂单晶硅硅片，由于其具有良好的导体特性，因此通常作为薄膜晶体管的栅电极。

图1 PTDPPTFT4的分子结构图Fig.1 Molecular structure of PTDPPTFT4

2.2 聚合物薄膜晶体管器件制作

本文采用底栅顶接触的OTFT结构（如图2所示），沟道的宽度为W＝1 000μm，长度L为50 μm、100μm、150μm三种尺寸。其中衬底为13 mm×13mm的N型重掺杂单晶硅硅片（n＋＋Si＜100＞）。硅片上带有热生长法形成的200nm厚度二氧化硅层，作为栅绝缘层。第一步，清洗。硅片首先在CMOS级的丙酮与异丙醇进行各自15min的超声清洗，以去除表面的有机杂质和较小的颗粒物，最后用氮气吹干。第二步，表面修饰。样品浸泡在辛基三氯硅烷（OTS－C8）和二甲苯混合溶液（体积比1∶100）中1h，使其对二氧化硅进行表面修饰。第三步，分别在空气和氮气中旋涂PTDPPTFT4作为有源层，转速均为1 000r／min旋转60s。第四步，将制备好的样品分别在空气和氮气中分别进行退火20min，退火温度在100～190°C。最后在5×10－6torr（1torr≈133Pa）的真空下通过金属掩膜板热蒸镀一层40～50nm的金作为源漏极，金的蒸镀速率约为0.03～0.1nm／s。

图2 薄膜晶体管的器件结构图Fig.2 Structure of organic thin film transistor

3 结果分析与讨论

通过上述实验过程，我们制备出了4种不同条件下的底栅顶接触OTFT器件，分别为：器件A：空气中旋涂，氮气中退火；器件B：空气中旋涂，空气中退火；器件C：氮气中旋涂，空气中退火；器件D：氮气中旋涂，氮气中退火。所有样品电学曲线均在空气中采用Keithley 4200SCS半导体测试仪测试得到。

3.1 旋涂环境对器件性能影响分析

首先研究旋涂环境对器件性能的影响，退火环境为空气情况下，旋涂环境分别为空气和氮气，器件B和器件C的转移特征曲线如图3（a）所示。

从图中可以看出，在空气中旋涂的器件B相对于在氮气中旋涂的器件C尽管具有更小的迟滞和更低的关态电流，以及略小的开态电流，但是从迁移率来看，两种器件的饱和迁移率几乎不变，如表1所示。

表1 在空气中退火时不同旋涂环境下电学参数比较结果其中W／L＝1 000／100μmTab.1 Comparison of performances of devices B and C with W／L＝1 000／100μm

图3 相同退火环境下，不同旋涂环境下的器件转移特征曲线比较图Fig.3 Comparison of transfer characteristics

同理，在氮气中退火，在空气和氮气中分别旋涂有源层。图3（b）描述了在氮气中退火时，在空气中旋涂的器件A和在氮气中旋涂的器件D的转移特征曲线。从图中可以看出，两种器件的转移特征曲线Id－Vg和sqrt（Id）－Vg两种曲线几乎完全重合。提取出来的电学参数如表2，我们可以看出饱和迁移率，阈值电压和电流开关比几乎也是相等的。通过上述实验的比较，我们可以得出结论：在退火环境相同的情况下，旋涂环境对器件的性能影响较小，在氮气环境退火尤其如此。

表2 在氮气中退火时不同旋涂环境下电学参数比较结果其中W／L＝1 000／150μmTab.2 Comparison of performances of devices A and D with W／L＝1 000／150μm

3.2 退火环境对器件性能影响分析

在旋涂环境相同的情况下，比较在空气中退火和在氮气中退火器件性能的变化。在空气中旋涂的情况下，在空气中退火的器件B和在氮气中退火的器件A的性能比较如图4（a）所示。从图中，可以看出在空气中退火的器件B相对于在氮气中退火的器件A，尽管关态电流和迟滞几乎相同，但是其开态电流大幅减少。从其提出出来的电学参数来看，如表3所示。在沟道长宽相同情况下，在氮气退火的器件A饱和迁移率为0.507 cm2·V－1·s－1，而在空气中退火的器件B饱和迁移率却为0.223cm2·V－1·s－1，其迁移率不到器件A的一半。因此可以说退火环境对器件的电学特性具有至关重要的影响。

图4 相同旋涂环境下，不同退火环境的器件转移特征曲线比较图Fig.4 Comparison of transfer characteristics

表3 在空气中旋涂时不同退火环境下电学参数比较结果其中W／L＝1 000／150μmTab.3 Comparison of performances of devices A and B with W／L＝1 000／150μm

同理，比较在氮气中旋涂，在空气中退火的器件C和在氮气中退火的器件D，其对应的转移特征曲线如图4（b）所示。从转移特征曲线可以看出，氮气中退火的器件D的开态电流远大于空气中退火的器件C，其表现的现象与上述器件B与器件A对比类似，对应的电学参数如表4所示。在氮气中退火的器件D的饱和迁移率是空气中退火的器件C的饱和迁移率的两倍多。

因此，从上述对比结果来看，我们可以得到如下结论：在相同的旋涂环境下，在氮气环境退火的器件远远优于在空气中退火的器件。为了更好的说明上述结论，我们进一步对比了不同退火温度情况下的上述器件的平均饱和迁移率，如图5所示。退火温度在100～190℃时，在相同旋涂环境下，氮气退火器件是空气退火器件的迁移率的两倍多；在相同的退火条件下，空气旋涂和氮气旋涂的器件性能相当。这一结果更加充分地说明了先前的实验结论。

表4 在氮气中旋涂时不同退火环境下电学参数比较结果其中W／L＝1 000／150μmTab.4 comparison of performances of devices D and C with W／L＝1 000／150μm

图5 不同退火温度条件下，A，B，C，D四种器件的饱和迁移率对比图Fig.5 Comparison of mobilities of four devices with various annealing temperature

图6 不同退火环境情况下的接触电阻图Fig.6 Comparison of contact resistance in N2and air annealing

4 结 论

本文基于溶液法在不同环境下制备出四种聚合物薄膜晶体管，通过比较其转移特征曲线和电学参数特性，进而说明制备工艺中的旋涂和退火工艺对器件性能的影响程度。从实验结果可以看出，在空气中旋涂的器件与氮气中旋涂的器件饱和迁移率几乎相等，说明旋涂环境对器件的影响几乎可以忽略；但是在空气中退火的器件只有氮气中退火器件的饱和迁移率的1／2，这一结果表明退火环境对器件的影响至关重要。

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