OTFT器件的电流体喷印及激光定向退火工艺研究

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有机薄膜晶体管(OTFT)以其可低温溶液处理、分子结构设计灵活的优势在存储器、传感器、有机集成电路等有机电子领域备受关注,而商业化OTFT制造的主要挑战是提升其电学性能及开发廉价的高效率制造方法。本文主要对OTFT器件的关键结构-有源层进行研究,以提高晶体管性能、高效率制备为目标,开展了工艺方面的研究探索和尝试。以聚3-己基噻吩P3HT OTFT为研究对象,电喷印工艺制备有机半导体P3HT直线结构作OTFT器件有源层,同时辅助激光定向退火方法优化P3HT分子取向及结晶度,提升P3HT OTFT电学性能,实现器件高性能制造需求。主要研究内容如下:(1)建立了OTFT器件多层异质结构电学分析模型。确定晶体管器件的结构及各个功能层的材料,采用半导体仿真软件Silvaco TCAD进行晶体管器件仿真,分析影响器件的关键部分包括沟道长度、有源层厚度、绝缘层厚度、缺陷态等的变化对器件性能的影响,探索并确定了较优的晶体管结构尺寸。(2)提出一种激光定向退火方法以制备高度有序P3HT薄膜。基于热传导理论,利用有限元模拟软件COMSOL Multiphysics分析不同工艺参数下(激光功率、激光扫描速度)激光扫描Si O2/Si基板的热场模型,探究其对有机半导体薄膜温度分布的影响。并根据仿真结果对旋涂在Si O2/Si基板上的P3HT有机半导体薄膜进行激光定向退火,并通过红外热成像仪测量P3HT薄膜温度,验证了仿真模型的合理性。通过XRD和SEM对薄膜表面微观组织形貌进行了表征,观测激光参数对其结晶形貌的影响。结果表明,在激光功率为5W,扫描速率为0.1mm/s的退火参数下,极大地改善了聚合物薄膜的结晶度、有序性,晶粒尺寸增大,促进了载流子的跳跃传输。(3)研究了基于电喷印P3HT直线结构的OTFT器件制备工艺。探究喷印参数(工作电压、工作距离、供给流量)对Si O2/Si基板上P3HT形貌的影响规律。以电喷印P3HT为有源层,同时辅助激光定向退火技术,制备了P3HT OTFT器件阵列,其载流子迁移率为传统热退火器件的10倍以上。对绝缘层进行SAM修饰,更进一步提高了OTFT电学特性,实现OTFT器件高性能、高效率制备。
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