水分子對有機場效應晶體管閾值電壓穩定性的影響

戚　輝， 郭　鵬， 張雪華， 丁星星， 張　瑩， 李　夢

(中原工學院， 鄭州 450007)

?

水分子對有機場效應晶體管閾值電壓穩定性的影響

戚輝， 郭鵬， 張雪華， 丁星星， 張瑩， 李夢

(中原工學院， 鄭州 450007)

以重摻雜Si片為襯底，SiO2為柵絕緣層，并五苯為有源層，制備了有機場效應晶體管(OFETs)，研究了空氣中水汽對場效應性能的影響。實驗表明：當器件較長時間放置在空氣中時，吸附在并五苯和SiO2接觸面之間的水分子導致閾值電壓漂移，器件的穩定性降低；經過熱處理的器件的閾值電壓漂移現象消失。提出了解釋閾值電壓漂移現象的模型，該模型可解釋水分子在這個過程中所起的作用。

有機場效應晶體管；并五苯；閾值電壓漂移；熱處理

有機場效應晶體管(OFET)因材料來源廣、成本低及可與柔性襯底兼容等優點受到廣泛關注[1]，在有機平板顯示等多領域有潛在的應用價值[2-3]。然而，有機場效應晶體管長時間放于空氣中會受到空氣中水汽的干擾，使其性能發生改變。近年來，空氣中水汽對場效應晶體管性能的影響已引起許多科研工作者的興趣。器件長時間放置，空氣的水汽會滲透到并五苯有機層，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絕緣層中的質子之間存在著動態平衡[7]，兩者可以發生相互轉化；還有課題組對影響OFET穩定性的其他因素進行分析，Sakai H小組證明了柵極電介質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晶體管的穩定性[9-10]。

本文以并五苯為活性層制備OFETs，器件在空氣中放置后，對樣品的性能進行檢測，發現并五苯接觸面吸附的水分子導致了有機場效應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象消失，印證了水分子確實影響有機場效應晶體管的穩定性。

1　實　驗

器件結構如圖1所示。其中，Au為源漏電極，并五苯是有源層，即空穴傳導層，n型摻雜的Si襯底為柵極，SiO2為絕緣層。

圖1　器件結構

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，在紅外干燥箱內進行烘干，放置在真空干燥箱內加熱到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120 μm、寬14 mm。測試時，柵源電壓采用可調穩壓電源，通過Keithley 2400型數字源表及Keithley485型皮安表組成的測量系統獲得輸出的特性曲線。

2　結果與分析

2.1實驗結果

把制作好的器件在真空狀態下存放30 min進行測量。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制下，輸出特性曲線展現出了完好的飽和性。在相同的柵極電壓范圍內，轉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新器件轉移特性曲線的比較

為了檢測空氣中水汽對器件不穩定性是否造成影響，本文進行了對比。把實驗器件在空氣中放置60 d后，測量其在不同柵極電壓范圍內的轉移特性曲線。由圖4可以清楚地觀察到，有機場效應晶體管的轉移特性曲線出現了明顯的偏移。由圖5可知，閾值電壓發生了漂移，閾值電壓值分別為-7 V和1 V。

圖4　器件兩個月后在不同柵極電壓范圍內轉移特性曲線的比較圖

圖5　器件的轉移特性曲線

2.2結果分析

閾值電壓漂移可以通過微觀機制進行解釋。當器件放置于空氣中較長時間后，空氣中的水汽會吸附在活性層和SiO2絕緣層之間，吸附的水分子影響了器件的穩定性[11-15]。在積累層的空穴和SiO2絕緣層中的質子(與體密度有關)之間存在著熱力學平衡，在水分子存在的條件下，空穴和質子之間存在著如下關系：

[H+]=α[h+]

(1)

其中，α是由反應常數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，SiO2絕緣層中的質子密度減小，質子擴散到SiO2表面轉換成空穴，并移向漏極和源極，產生額外的電流，并導致閾值電壓的漂移。

圖6　真空熱處理后兩次不同柵極電壓范圍內轉移特性曲線的比較圖

對器件進行熱處理，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，然后對器件的轉移曲線進行測量，兩次測得的器件的轉移特性曲線見圖6?？梢园l現，轉移特性曲線幾乎重合在一起，表明轉移特性曲線的漂移在熱處理后消失，不同柵極電壓范圍內器件的轉移特性曲線是不變的?？梢?，絕緣層電介質表面吸附的水分子經熱處理后被蒸發掉，閾值電壓漂移被消除。熱處理前后的數據證明了水分子對器件穩定性的影響。

3　結　語

對影響有機場效應晶體管穩定性的因素進行了研究,吸附在并五苯和SiO2接觸面之間的水汽對并五苯有機場效應晶體管的穩定性有重要影響，導致了閾值電壓的漂移。實驗結果表明, 經過熱處理后，器件的閾值電壓漂移現象消失了。這是因為積累層的空穴和SiO2絕緣層中的質子(與體密度有關)之間存在熱力學平衡，熱處理使水汽被蒸發，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

國家自然科學基金項目(11547221)

戚輝(1981-)，男，河南開封人，碩士，主要研究方向為光電材料與器件。

1671-6906(2016)04-0033-04

TN386

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2016.04.007