戚　輝， 郭　鵬， 張雪華， 丁星星， 張　瑩， 李　夢(mèng)

(中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

?

水分子對(duì)有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管閾值電壓穩(wěn)定性的影響

戚輝， 郭鵬， 張雪華， 丁星星， 張瑩， 李夢(mèng)

(中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

以重?fù)诫sSi片為襯底，SiO2為柵絕緣層，并五苯為有源層，制備了有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(OFETs)，研究了空氣中水汽對(duì)場(chǎng)效應(yīng)性能的影響。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)器件較長(zhǎng)時(shí)間放置在空氣中時(shí)，吸附在并五苯和SiO2接觸面之間的水分子導(dǎo)致閾值電壓漂移，器件的穩(wěn)定性降低；經(jīng)過熱處理的器件的閾值電壓漂移現(xiàn)象消失。提出了解釋閾值電壓漂移現(xiàn)象的模型，該模型可解釋水分子在這個(gè)過程中所起的作用。

有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管；并五苯；閾值電壓漂移；熱處理

有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(OFET)因材料來源廣、成本低及可與柔性襯底兼容等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注[1]，在有機(jī)平板顯示等多領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價(jià)值[2-3]。然而，有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管長(zhǎng)時(shí)間放于空氣中會(huì)受到空氣中水汽的干擾，使其性能發(fā)生改變。近年來，空氣中水汽對(duì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能的影響已引起許多科研工作者的興趣。器件長(zhǎng)時(shí)間放置，空氣的水汽會(huì)滲透到并五苯有機(jī)層，致使并五苯晶粒邊界形成陷阱[4-6]。Sharma A等提出，在水汽存在的前提下，積累層的空穴和SiO2絕緣層中的質(zhì)子之間存在著動(dòng)態(tài)平衡[7]，兩者可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)化；還有課題組對(duì)影響OFET穩(wěn)定性的其他因素進(jìn)行分析，Sakai H小組證明了柵極電介質(zhì)的極化可以引起閾值電壓的漂移[8]；也有課題組從光照射和分子摻雜濃度等方面研究了場(chǎng)晶體管的穩(wěn)定性[9-10]。

本文以并五苯為活性層制備OFETs，器件在空氣中放置后，對(duì)樣品的性能進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)并五苯接觸面吸附的水分子導(dǎo)致了有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管閾值電壓漂移；通過真空熱處理可以使閾值電壓漂移現(xiàn)象消失，印證了水分子確實(shí)影響有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的穩(wěn)定性。

1　實(shí)　驗(yàn)

器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，Au為源漏電極，并五苯是有源層，即空穴傳導(dǎo)層，n型摻雜的Si襯底為柵極，SiO2為絕緣層。

圖1　器件結(jié)構(gòu)

把硅片襯底放在丙酮溶液里，用超聲波清洗20 min，并用去離子水沖洗干凈，在紅外干燥箱內(nèi)進(jìn)行烘干，放置在真空干燥箱內(nèi)加熱到120 ℃并保持恒溫2 h，然后自然冷卻至室溫。采用真空度為10-3Pa的真空鍍膜法蒸鍍并五苯作為器件的活性層，蒸發(fā)速度為0.1～0.2 nm/s，使并五苯活性層厚度為80 nm。最后，用掩模的方法蒸鍍溝道，由掩模板形成的溝道長(zhǎng)120 μm、寬14 mm。測(cè)試時(shí)，柵源電壓采用可調(diào)穩(wěn)壓電源，通過Keithley 2400型數(shù)字源表及Keithley485型皮安表組成的測(cè)量系統(tǒng)獲得輸出的特性曲線。

2　結(jié)果與分析

2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

把制作好的器件在真空狀態(tài)下存放30 min進(jìn)行測(cè)量。圖2為OFETs器件的輸出特性曲線(Ids-Vds曲線)。在不同柵極電壓的調(diào)制下，輸出特性曲線展現(xiàn)出了完好的飽和性。在相同的柵極電壓范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)移特性曲線幾乎完全重合，如圖3所示。

圖2　新器件的輸出特性曲線

圖3　在相同柵極電壓范圍內(nèi)新器件轉(zhuǎn)移特性曲線的比較

為了檢測(cè)空氣中水汽對(duì)器件不穩(wěn)定性是否造成影響，本文進(jìn)行了對(duì)比。把實(shí)驗(yàn)器件在空氣中放置60 d后，測(cè)量其在不同柵極電壓范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)移特性曲線。由圖4可以清楚地觀察到，有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線出現(xiàn)了明顯的偏移。由圖5可知，閾值電壓發(fā)生了漂移，閾值電壓值分別為-7 V和1 V。

圖4　器件兩個(gè)月后在不同柵極電壓范圍內(nèi)轉(zhuǎn)移特性曲線的比較圖

圖5　器件的轉(zhuǎn)移特性曲線

2.2結(jié)果分析

閾值電壓漂移可以通過微觀機(jī)制進(jìn)行解釋。當(dāng)器件放置于空氣中較長(zhǎng)時(shí)間后，空氣中的水汽會(huì)吸附在活性層和SiO2絕緣層之間，吸附的水分子影響了器件的穩(wěn)定性[11-15]。在積累層的空穴和SiO2絕緣層中的質(zhì)子(與體密度有關(guān))之間存在著熱力學(xué)平衡，在水分子存在的條件下，空穴和質(zhì)子之間存在著如下關(guān)系：

[H+]=α[h+]

(1)

其中，α是由反應(yīng)常數(shù)和在絕緣層表面水分子的量決定的[7]。

在正柵極偏壓從30 V減小至0 V時(shí)，SiO2絕緣層中的質(zhì)子密度減小，質(zhì)子擴(kuò)散到SiO2表面轉(zhuǎn)換成空穴，并移向漏極和源極，產(chǎn)生額外的電流，并導(dǎo)致閾值電壓的漂移。

圖6　真空熱處理后兩次不同柵極電壓范圍內(nèi)轉(zhuǎn)移特性曲線的比較圖

對(duì)器件進(jìn)行熱處理，即把器件放置于真空干燥箱中160 ℃恒溫保持12 h后冷卻至室溫，然后對(duì)器件的轉(zhuǎn)移曲線進(jìn)行測(cè)量，兩次測(cè)得的器件的轉(zhuǎn)移特性曲線見圖6。可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)移特性曲線幾乎重合在一起，表明轉(zhuǎn)移特性曲線的漂移在熱處理后消失，不同柵極電壓范圍內(nèi)器件的轉(zhuǎn)移特性曲線是不變的。可見，絕緣層電介質(zhì)表面吸附的水分子經(jīng)熱處理后被蒸發(fā)掉，閾值電壓漂移被消除。熱處理前后的數(shù)據(jù)證明了水分子對(duì)器件穩(wěn)定性的影響。

3　結(jié)　語(yǔ)

對(duì)影響有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了研究,吸附在并五苯和SiO2接觸面之間的水汽對(duì)并五苯有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的穩(wěn)定性有重要影響，導(dǎo)致了閾值電壓的漂移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 經(jīng)過熱處理后，器件的閾值電壓漂移現(xiàn)象消失了。這是因?yàn)榉e累層的空穴和SiO2絕緣層中的質(zhì)子(與體密度有關(guān))之間存在熱力學(xué)平衡，熱處理使水汽被蒸發(fā)，閾值電壓漂移也被消除。

[1]Zhang D, Zhao K, Deng J.Influence of Charge Carrier Injection at Emitter Electrode/Emitter Interface on the Performance of Metal-base Organic Transistors [J].Journal of Optoelectronics·Laser, 2012(27):2273-2276.

[2]Kawasaki M, Imazeki S, Ando M,et al.High-resolution Full-color LCD Driven by OTFTs Using Novel Passivation Film [J]. IEEE Electron Device Letters, 2006(53):435-441.

[3]Klauk H, Halik M, Zschieschang U,et al. Flexible Organic Complementary Circuits [J]. IEEE Trans. Electron Devices,2005(52):618-622.

[4]Qiu Y,Hu Y C,Dong G F,et al. H2O Effect on the Stability of Organic Thin-film Field-effect Transistors [J]. Appl. Phys. Lett , 2003(83):1644-1646.

[5]Qi H，Liu A，Jiang C,et al.Degradation and Recovery for Output Characteristics of OFETs [J].Journal of Optoelectronics·Laser,2011(22):1000-1002.

[6]Goldmann C, Gundlach D, Batlogg B.Evidence of Water-related Discrete Trap State Formation in Pentacene Single-crystal Field-effect Transistors[J].Appl. Phys. Lett, 2006(88):063501.

[7]Sharma A, Mathijssen S, Kemerink M,et al. Proton Migration Mechanism for the Instability of Organic Field-effect Transistors [J]. Appl. Phys. Lett, 2009(95):253305.

[8]Sakai H, Konno K, Hideyuki M.Tuning of Threshold Voltage of Organic Field-effect Transistors by Space Charge Polarization [J].Appl. Phys. Lett, 2009(94):073304.

[9]Chang B P.Investigation of the Device Instability Feature Caused by Electron Trapping in Pentacene Field Effect Transistors [J]. Appl. Phys. Lett, 2012(100): 063306.

[10]Moritz P H, Alexander A Z, Bj?rn L,et al. Molecular Doping for Control of Gate Bias Stress in Organic Thin Film Transistors [J]. Appl. Phys. Lett, 2014(104): 013507.

[11]Li D W, Bokkent E J, Nortrup R, et al.Humidity Effect on Electrical Performance of Organic Thin-film Transistors [J]. Appl. Phys. Lett ,2005(86):042105.

[12]Yan H, Kagata T, Okuzaki H.Ambipolar Pentacene/C60-based Field-effect Transistors with High Hole and Electron Mobilities in Ambient Atmosphere [J]. Appl. Phys. Lett,2009(94):023305.

[13]Klauk H, Halik M, Zschieschang U,et al.High-mobility Polymer Gate Dielectric Pentacene Thin Film Transistors [J]. Journal of Applied Physics, 2002(92): 5259-5263.

[14]Kagan C R, Afzali A, Graham T O.Operational and Environmental Stability of Pentacene Thin-film Transistors [J]. Appl. Phys. Lett , 2005(86):193505.

[15]Jung H, Lim T, Choi Y,et al.Lifetime Enhancement of Organic Thin-film Transistors Protected with Organic Layer[J]. Appl. Phys. Lett, 2008(92):163204.

(責(zé)任編輯：陸俊杰)

Effect of Water Molecules on Threshold Voltage Stability of Organic Field Effect Transistors

QI Hui, GUO Peng， ZHANG Xue-hua， DING Xing-xing, ZHANG Ying, LI Meng

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

Pentacene-based organic field-effect transistors (OFETs) is fabricated with n-doped silicon substrate as the gate electrode and as the dielectric. The influence of ambient atmosphere on the threshold voltage of organic field-effect transistors is studied. The adsorption of the pentacene-interface largely affects the electrical characteristics of the OFETs, where a shift is clearly present. It can be eliminated through the thermal annealing processes, a new model to interpret the shift of threshold voltage is presented, this model also explains the role of water in the device.

OFETs; pentacene; the threshold voltage shift; the thermal annealing processes

2016-01-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11547221)

戚輝(1981-)，男，河南開封人，碩士，主要研究方向?yàn)楣怆姴牧吓c器件。

1671-6906(2016)04-0033-04

TN386

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2016.04.007