分类号：密级：
U D C：编号：
P3HT有机薄膜晶体管的制备与研究
FABRICATION AND INVESTIGATION OF P3HT ORGANIC THIN-FILM TRANSISTORS
学位授予单位及代码：长春理工大学（10186）
学科专业名称及代码：微电子学与固体电子学（080903）
研究方向：电子薄膜与MEMS技术申请学位级别：硕士
指导教师：王丽娟宋德研究生：胡海琛论文起止时间：2009.11—2010.12
长春理工大学硕士学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，《P3HT有机薄膜晶体管的制备与研究》是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
作者签名：年月日
长春理工大学学位论文版权使用授权书
本学位论文作者及指导教师完全了解―长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定‖，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文全文数据库和CNKI系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。
作者签名：年月日
指导导师签名：年月日
摘要
用有机材料制备的有机薄膜晶体管具有成本低、柔性、能够大面积制备等优点，在有源平板显示行业显示出了极大的应用潜力，成为新一代柔性显示器研发最为关键的一步。
在掌握了充足的理论知识的基础上，我们开展了对P3HT有机薄膜晶体管的研究。采用可溶液加工的旋涂的工艺方法，制备了不同溶液浓度，不同有源层厚度条件下的P3HT薄膜，成功地制备出具有开关特性的P3HT有机薄膜晶体管。并且通过原子力显微镜对薄膜进行表征，对不同薄膜之间的差异做出了分析，为进一步的实验奠定基础。
本论文还研究了退火对有机薄膜晶体管的影响，实现了在160℃真空条件下退火对器件性能的很大提高。
关键词：P3HT有机薄膜晶体管旋涂退火
ABSTRACT
The organic thin-film transistor, made of organic materials, having the advantage of low-cost、flexibility and preparation of large-area ,has shown a great potential to apply on the flat-panel display and become the most crucial step in developing flexible display.
On the basis of sufficient theoretical knowledge, we carried out the research on P3HT organic thin-film transistor and prepared the P3HT organic thin-film transistors successfully in the way of solution spin-coating under different condition of solution concentration and active layer’s film thickness. By atomic force microscope, we tested the film thickness and analyzed the influence of difference film thickness on the performance of P3HT thin-film transistor, laying the foundations for further experiments.
At the same time, the paper also studied the influence of annealing on the devices, We greatly improved the performance of devices through annealing for one hour under the conditions of 160℃vacuum.
Key words: P3HT Organic Thin Film Transistors Spin Coating Annealing
目录
摘要
ABSTRACT
目录
第一章绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1 1.1引言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1 1.2有机薄膜晶体管的研究意义．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1 1.3有机薄膜晶体管发展及其应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3 1.4 P3HT有机薄膜晶体管的发展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 6 1.5论文研究的主要内容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8 第二章有机薄膜晶体管的制备．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.1有机薄膜晶体管的工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.2有源层的制备工艺．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12 2.3有机薄膜晶体管的结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14 2.4 P3HT有机薄膜晶体管的制备．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16 第三章溶液旋涂法薄膜晶体管的测试与表征．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 3.1不同浓度下P3HT有机薄膜晶体管的性能．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 3.2测试数据分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28 3.3 P3HT有机薄膜的原子力表征．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29 3.4原子力扫描图像分析. ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．33 第四章退火对有机薄膜晶体管的影响．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35 4.1退火的定义及试验方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35 4.2 N2条件下退火．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35 4.3真空条件下退火．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．45 4.4实验数据的总结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．53 4.5不同条件下退火效应的分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．54 结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．56 致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．57 参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．58
第一章绪论
1.1引言
首先我们先了解一下什么叫做―场效应‖，人们通常把利用半导体表面垂直电场来控制半导体的导电能力随着这个垂直电场强度大小的变化而变化的现象称之为―场效应‖。利用―场效应‖原理人们发明了场效应晶体管，并且场效应晶体管现在已经成为了超大规模集成电路及显示器件中的核心元件，是现代电子科技中不可缺少的元件。
晶体管按工作原理可以分为两大类【1】：双极型晶体管和场效应晶体管（也叫单极型晶体管）两大类。双极型晶体管是电子和空穴两种载流子都参与导电，而场效应晶体管只是电子和空穴中的一种载流子参与导电，所以也称之为单极型晶体管。根据结构的不同，场效应晶体管又分为MESFET（Metal-Semiconductor FET，金属-半导体场效应晶体管），JFET(PN Junction FET，PN结型场效应晶体管），MOSFET （metal-oxide-semiconductor，MOSFET）三种，但由于结构的不同，所用的材料和制备工艺也有所差别，但都属于―场效应‖的原理。其中MOSFET是在我们现实生活中应用最为广泛的晶体管。由于其具有功耗小，噪声低，阻抗高，体积小，热稳定性好等诸多优点，所以成为了超大规模集成电路和显示器件中最重要的器件。
场效应晶体管按其制备过程中所应用的有源层的材料分为两类：一类是无机场效应晶体管，主要材料为氢化非晶硅(a- Si：H)和（poly-Si），另一类为有机场效应晶体管（Organic Field Effect Transistor ，OFET）。有机场效应晶体管就是采用有机半导体材料作为有源层，即作为半导体导电层的场效应晶体管。由于这种场效应晶体管都是以薄膜的形式制备的器件，因此也把这种器件叫做有机薄膜晶体管（Organic Thin-Film Transistor，OTFT）【2】-【5】，是基于无机的（MOSFET）发展而来的。在下面的章节中为了方便，统一的把有机场效应晶体管(OFET)称为有机薄膜晶体管(OTFT),而无机薄膜晶体管称为TFT。
1.2有机薄膜晶体管的研究意义
尽管有机薄膜晶体管是以无机薄膜晶体管为基础发展起来的，有着区别于无机薄膜晶体管的新特点：
1）OTFT的有源层制备工艺更为简单，制备技术种类更多、更新。
无机薄膜晶体管的有源层材料一般为非晶硅薄膜a-Si:H，用等离子化学气相沉积的方法制备。有机薄膜晶体管的有源层材料制备除了可以采用传统的真空蒸镀的方法外，还可以采用旋涂（spin-coating）、提拉、滴涂(diping)、分子自组装（self-assemble）、
Langmuir-Blodgett(LB)技术、喷墨打印印刷（printing）技术等非真空的溶液成膜技术。这些成膜技术是无机材料所无法比拟的，制备工艺简单，可以大规模成膜，使得器件的制备更加的适合工业化。
2）OTFT的有源层材料更为广泛。
无机薄膜晶体管的有源层材料目前一般为氢化非晶硅(a-Si:H)和多晶硅（poly-Si）两种材料。而OTFT的有源层材料却是十分的广泛，并且发展潜力大。P型有机半导体材料就有几百种，并且稳定性较好，在制备OTFT和驱动有机发光二级管上有很大的优势。本文所研究晶体管的有源层材料―P3HT‖就是属于P型的有机半导体材料。N型的材料相对较少但是也有上百种。而且有机材料可以通过合成的方法得到其衍生物，这就更加的增加了有机材料的种类。因此，有机材料的种类要大大的高于无机材料。
3）OTFT的制作成本很低。
无机薄膜晶体管采用的氢化非晶硅材料在空气中容易氧化，因此在制备晶体管的过程中需要使用非常精密复杂的真空设备，而且要采用特殊气体（如硅烷等），这些特气的成本很高。制备完有源层后与进行下一步工序之间还必须采用避免氧化的保护性的清洗技术，也加大了加工成本。OTFT可以使用很多的非真空方法进行制备，并且大部分的有机材料的成膜过程中不需要特殊气体的保护，所以可以大幅度的降低加工成本。
4）OTFT自身具有很好的柔韧性，可实现柔性显示。
无机薄膜晶体管中的氢化非晶硅、多晶硅等薄膜的制备温度高达400℃，通常制备在无碱玻璃上，很难制备在塑料、聚合物等柔性衬底上，难以实现柔性显示。而有机半导体材料制作温度都是在180℃以下，可以制作在塑料、聚合物等柔性的衬底上，因此这种―全有机‖的器件能完全的实现柔性显示【6】【7】，能够弯曲方便携带，使得OTFT 具有很好的应用前景。
5）OTFT可以用来制备大面积器件，具有良好的光学性质。
无机薄膜晶体管由于制备工艺的限制，很难实现大面积的显示面板的制备。且有源层材料的氢化非晶硅是一种对光十分敏感的材料，遇到光照时材料会劣化而变性，因此制作器件时需要黑矩阵等来阻挡光的照射。而OTFT制备工艺的多样化和十分简便的优势，易实现大面积器件的制备，如大面积显示面板、电子纸、电子标签、智能卡等的制备及应用。且OTFT的有源层材料具有比较好的光学性质，在光的照射下，器件的性能大多不会发生明显的变化。
6）OTFT具有良好的电学性质
有机材料的原子和其自身官能团可以通过化学的方法在其分子链上进行连接或者截取，达到修饰的目的，或者是直接进行化学掺杂，这些都能改变材料的电学特性。这样可以采用修饰和掺杂的方法对器件进行优化，使得器件的性能达到要求。这种优势也是无机的材料所无法比拟的。
综上所述，OTFT占有广泛性的应用领域和其巨大的市场潜力，并且将主导下一代
显示——柔性显示。另外有机太阳能【8】（organic photovoltaic cells）、有机发光二极管【9】(organic light-emitting diodes)、光波导【10】(waveguide)、有机光电探测器等有机电子器件的制备和应用也向世人展示了有机半导体材料制备的有机电子学器件的广阔诱人前景。我们期望着有机电子器件尽快的应用于工业生产，取代无机的电子器件时代，使得人们的社会文化生活更加的丰富多彩，使人类的文明再向前迈出了一大步。
1.3有机薄膜晶体管的发展及应用
在1964年G.H.Heilmeier等人第一次发现酞菁铜薄膜有机半导体材料具有场效应特性【11】。在1983 年，F.Ebisawa在聚乙炔薄膜中又一次观察到了场效应现象【12】。在1984 年，在部花青薄膜中测出了1.5×10-5 cm2/Vs场效应迁移率【13】。但是直到1986年，真正意义上的有机薄膜晶体管才问世，是由日本的Tsumura等人制备而成的，有源层材料是利用电化学方法制备的聚噻吩【14】。其主要的器件性能参数为迁移率10-5 cm2/Vs，开关电流比为103，阈值电压-13V。从那以后有机薄膜晶体管便引起了全世界广泛的关注，各种有机材料的有机薄膜晶体管相继问世，并不断的发展。
上个世纪的有机电子学可以说是并五苯电子学（pentacene）的时代。到目前为止并五苯依然是研究最为广泛，场效应迁移率最高的有机半导体。器件性能也一直在不断提高。其OTFT 迁移率也得到了很大的提高，已经远远超过商业化的非晶硅。Y. Y. Lin等【15】通过采用在不同的温度下生长双层并五苯作为器件的有源层，测试得出器件的迁移率达到1.5 cm2/Vs，开关电流比达到108。D. J. Gundlach等人【16】制备的并五苯OTFT迁移率达到了2.1 cm2/Vs，开关比大于105。SNYDER John P等人【17】制备的OTFT，器件的迁移率达到了35cm2/Vs，而且如果将器件测试的条件改变为低温225K时，迁移率会提高至58cm2/Vs。此OTFT有源层采用的是并五苯的单晶。但是并五苯材料在光照或水氧的环境下化学稳定性不够好，并且有源层的制备多采用真空蒸镀的方法，限制了它的进一步实际应用。
其它有机材料的薄膜晶体管还有齐聚噻吩(oligothiophene) OTFT，是由Horowitz 等人于1989 年首先报道的【5】。这也是第一个采用共轭小分子的作为有源层的OTFT。空穴迁移率达到10-3 cm2/Vs，实现了真正意义上的实用型OTFT。齐聚噻吩的特点是可通过化学合成的方法，改变其分子链的长度，从而能够改变其分子能级等物理特性。Akimichil等人【18】在1991年对取代的齐聚噻吩其分子结构的有序度对迁移率的影响进行了研究，研究结果发现端基被取代的齐聚噻吩比端基没有被取代的迁移率提高了两个数量级，为人们通过改变有机分子的官能团和化学修饰的方法来提高有机材料的电学特性提供了思路。Dodabalapurl等人【19】在1995年第一次应用a- 6T/c60的异质结结构制备了OTFT，迁移率达到了0.3 cm2/Vs。接着下一年Horowitz等人【20】利用6T的单晶制备成功OTFT，其迁移率达到了0.1 cm2/Vs。1998年，Z.bao等人【21】制备的全氟
代酞氰铜OTFT迁移率达到了0.03cm2/Vs，开关比为5×104。2000年，有机材料DHF-6T 作为有源层制备的OTFT【22】，迁移率达到了0.02cm2/Vs，开关比为105。2001年，P. R. L. Malenfant等人【23】利用PTCDI-C8制备的异质节OTFT迁移率达到了0.6cm2/Vs，开关比为105。2003年，V. Podzrov等人【24】利用Rubrene（红荧烯）的单晶材料做为有源层制备的OTFT迁移率达到了8cm2/Vs，开关比为105。2004年，V. C. Sundar等人【25】在V. Podzrov研究的基础上利用这种材料的单晶制备0TFT，其器件的迁移率达到了15.4 cm2/Vs。2005年M. M. Payne等人【26】利用Functionalized anthradithiophene作于有源层材料，采用溶液法制备的0TFT迁移率达到了1cm2/Vs，开关电流比为107。2006年，H. Meng 等人【27】利用2,6-Bis[2-(4-pentylphenyl)vinyl]制备的0TFT迁移率为1.28 cm2/Vs ，开关比为107。2007年H. Wang 等人【28】利用Vanadyl-phthalocyanine(v)制备的0TFT器件的迁移率为1.5cm2/Vs，开关比为106。2008年，Sung Kyu Park等人【29】利用旋涂工艺，采用的是diF-TESADT作为有源层半导体制备的OTFT迁移率达到了1.5cm2/Vs。2009年，Yi Chen 和Ishiang Shih 【30】采用红荧烯单晶材料作为有源层制备的0TFT，器件的迁移率达到了2.4cm2/Vs，开关电流比达到106。2010年，Myeong Jin Kang等人【31】将半导体材料DNTT烷基化，合成新的半导体C n –DNTTs，并将其应用在有机薄膜晶体管中作为有源层材料，采用真空蒸发的方法成膜，制备的有机薄膜晶体管的迁移率惊人的达到了8cm2/Vs。
在国内，中国科学院长春应用化学研究所、清华大学和吉林大学等为代表的研究单位，对有机薄膜晶体管的研究工作中也取得了长足的进步，部分可以超越和国外的研究单位。其中，清华大学邱勇教授的研究小组利用旋涂绝缘层，利用并五苯材料作为有源层制备的OTFT，迁移率达到了2.1×10-2cm2/Vs，开关比提高至105。长春应用化学研究所闫东航组的酞菁化合物的研究开始于1997年，从薄膜生长到器件结构，从材料选择到器件制备都取得了重要的结果，推进了酞菁类化合物OTFT 实用化进程。主要成果有：夹心型OTFT、共混方法蒸镀酞菁复合物、电接触材料、弱外延生长酞菁化合物等等。目前制备的酞菁氧钒多晶薄膜的迁移率已经超过了3.5cm2/Vs，已经能够驱动OLED发光，引起了世界各国科研机构的关注。由此我们可以看到从上个世纪八十年代到现在，有机薄膜晶体管得到了飞速的发展，各种有机材料被应用作为器件的有源层获得了长足的发展。很多有机材料OTFT的性能已经超过或接近TFT，相信不远的将来OTFT就会得到大规模的生产和应用。
由于OTFT自身的特点，可以作为开关元件应用在显示器（active matrixdisplay）、电子纸和传感器方面，也实用于柔性衬底的大规模集成电路中，如电子纸、无线电子鉴别标签、电子条码、智能卡等器件中的应用。早在1998年，Dodabalapur等人就利用OTFT驱动有机发光二极管制备成功有机智能像素。同一年Drury等人将OTFT应用在集成电路中，完成了全塑型集成电路的制备。2000 年Crone等人利用OTFT为基础，完成了大规模互补型集成电路的制备。如图1.1为2001年Philipe 公司制作的第一块以聚噻吩乙烯撑预聚物（polythienylenevinylene）为有源层的OTFT作为驱动开关
的液晶显示屏。其中OTFT的迁移率达到1.5cm2/Vs，开关比为4×104，显示屏的大小为2 英寸，像素为64×64。如图1.2为2004 年该公司制备成功的基于柔性基底的液晶显示屏。尺寸为 3.5厘米×3.5 厘米，像素为540×540 平方微米。PARC（Palo Alto Research Center）成功的利用了喷墨打印的方法制备了128×128 像素的OTFT 基板；另外Bell 实验室也成功的制备了50厘米×50厘米的OTFT基板。
图1.1以预聚物为有源层的OTFT液晶显示屏图1.2 基于柔性基底的液晶显示屏
图1.3柔性基底无限频率智能识别（RFID）图1.4 柔性电子纸
如图1.3所示为2004 年3M 公司成功制备的柔性基底无线频率智能识别（RFID）电路，尺寸为6 英寸×6英寸，此智能识别电路是由25 列和25 行电路单元组成。图1.4为2006年Philips 公司柔性电子纸图。图1.5为在2007 SID展会上，SONY公司首次推出了OTFT驱动的2.5英寸柔性OLED样品，实现了约1670万色的全彩显示。如图1.6所示为2010年索尼公司独自研发成功的世界上第一款OTFT驱动OLDE显示屏，并且此显示屏能够实现在缠绕在半径为4mm的圆柱上，进行卷绕的过程中，依然能够保持动态的显示。此显示屏所应用的OTFT的有源层材料为peri-Xanthenoxanthene，此种材料属于一种稠环芳香化合物。这种有机半导体材料，使得该OTFT的驱动力是以前OTFT的8倍。索尼公司还进行了相关的试验测试，该超柔性的显示屏可来回的卷
返1000次后，显示效果仍然正常。此超柔性OTFT-OLED显示屏参数为：大小4.1寸，分辨率：432 ×240，像素的精细度为：121PPI显示颜色：1677万色，亮度：大于100流明，对比度：大于1000：1，厚度：80μm。
图1.5 OTFT驱动的柔性OLED 图1.6 OTFT驱动OLDE显示屏
在国内OTFT应用方面的研究也十分迅速，2006年12月，由中国科学院长春应用化学研究所顺利的完成了吉林省科技发展计划―有机TFT器件研究‖项目，并且通过吉林省科技厅专家验收。其制备的OTFT器件，工作寿命超过5千个小时，迁移率达到0.2cm2/Vs，开关电流比达到107，并制备出了3英寸200×160和64×64像素的OTFT-LCD 器件。该项目在高性能新型OTFT器件结构、有机半导体材料和绝缘层材料、系统的集成加工工艺技术方面都有创新，并获得系统的知识产权。
虽然OTFT以及由它制备的集成电路，仍然还处于基础性质的研究过程，但其器件性能的发展比较迅速，目前已经达到或者超过了a-Si:H的水平。总的来说OTFT在大面积显示、低成本和集成电路上的应用，特别是在柔性塑料衬底上具有十分广阔的应用前景。但要想要达到其器件产业化的真正实现，有机电子学及有机电子器件方面的研究，在诸多方面还需要不断提高与改进。例如：有机电子器件在其制备过程中的隔绝空气、隔绝水等等的封装技术，在大气环境和室温下制备的器件的性能还有待于提高，另外还有待于提高的是器件在室温及大气条件下的稳定性和寿命。在理论方面上，有机半导体材料的导电机理，还需进一步的讨论及研究。只有以上的这些问题得到了解决，才能得到性能更为良好的场效应器件，以使得制备的器件更加的适于商业化生产及应用。
1.4 P3HT有机薄膜晶体管的发展
P3HT是80年代合成的聚合物，发展非常迅速，具有不同于一般聚合物的二维结
构【2】，是一种很好的导电聚合物材料，适合于制作晶体管。目前，OTFT器件主要有两种结构，一个是底接触构型，另一个是顶接触的构型。1988年A.Assadi等人制作了第一个P3HT有机薄膜晶体管【32】，采用的是底接触的构型。将P3HT溶于氯仿溶剂中，（P3HT）Mn=9700，Mw=29000溶于氯仿按1mg/ml配比，成膜采用的是旋涂的方法。旋涂速率为2000rpm/min保持30min，获得的器件的迁移率为0.94×10-4cm2/Vs。这是历史上第一个P3HT有机薄膜晶体管。在1996年有所突破，Zhenan Bao等人【33】采用的底接触的方法制备器件，在真空的条件下测试，迁移率达到了0.045 cm2/Vs，提高了三个数量级。随后在1998年，Henning Sirringhaus 等人制备出迁移率为0.1cm2/Vs，器件的构型采用的是底接触的器件构型【34】，P3HT 溶于氯仿溶液中, 溶液的质量分数为0.7-0.8％，旋涂速率为2000 rpm，成膜的厚度为500 ?到700?。其中C i=10 nF/cm2，沟道长为75μm，宽为1500μm，溶液制备和器件的制备全部都是在氮气条件下进行的，在沉积薄膜之前用六甲基二硅氮烷对SiO2表面进行处理，而且在有源层上沉积SiO x。在2003年P3HT薄膜晶体管又一次的得到了提高【35】，迁移率达到了0.2cm2/Vs。它是由Santa Barbara等人制作的器件，器件采用的底接触的构型，溶液配置为1.0 mg/ml。在制备前要进行用0.20μm孔径的聚四氟乙烯薄膜进行过滤，成膜前用六甲基二硅氮烷对绝缘层进行处理，采用提拉或者是旋涂的方法成膜，提升速度为0.2–0.5 mm/s或者转速为2000 rpm，制备出的薄膜膜厚为20-40 ?。沟道长度为5-25μm，宽度为1000μm，绝缘层厚度为200nm。在N2条件下进行测试。在2006年，Huiping Jia等人采用光刻的方法【36】，采用的是底接触的构型得到的器件迁移率为0.02 cm2/Vs，另外在同一年Do Hwan Kim等人通过控制P3HT一维纳米结构得到了迁移率为0.02 cm2/Vs的器件【37】。2007年Hisashi Fukuda等人制备的P3HT有机薄膜晶体管迁移率达到了1.1cm2/Vs，此器件采用的底接触的器件结构，绝缘层用的是SiO2厚度20nm，沟道长度为30μm，宽度为3.8cm【38】。有源层的薄膜是在基底温度为70℃的调节下，采用旋涂的方法成膜。器件性能的测试是在封闭的装置内充满压强为1000PPM的N2O气体的条件下进行。这也是目前来说所得到的迁移率最高的P3HT薄膜晶体管。2008年B.H. Hamadani 和 D. Natelson制备的底接触构型的薄膜晶体管，通过控制器件的沟道长度从400 nm 到40 μm来实现器件性能上的提高。迁移率达到了1cm2/Vs【39】。2009年Yu Fu, Cheng Lin，通过将P3HT薄膜暴露在邻二氯苯蒸汽中得到迁移率为0.11cm2/Vs的薄膜晶体管【40】。2010年台湾国立清华大学的兰宜康等人以量子计算(QM)对P3HT延链上及延链间两不同维度的电荷传输速率及迁移率进行了计算【41】。另外应用分子动力模拟(MD)技术，计算了各个不同温度及规整度环境下的P3HT系统，得到了其分子结构的内部资讯。结合QM及MD的结果显示，在规整排列区的延链上传输速率会大于延链间传输约百倍，链上传输应是规则区內的主要传输路径。计算结果也显示延链间方向的电子迁移率为2-10 cm2/Vs。这一理论的计算，更加坚定了我们对P3HT有机薄膜晶体管研究的信心，同时这些前人的研究对我们的进一步研究提供了宝贵的经验，并且从理论上也学到了很多的知识。
1.5论文研究的主要内容
本文在掌握了充足的理论知识的基础上，开展了对P3HT有机薄膜晶体管的研究。首先采用旋涂的工艺对P3HT的氯仿溶液进行旋涂成膜。分别制备得到了5mg/ml、8mg/ml、11mg/ml三种浓度溶剂浓度下的薄膜。通过利用不同的旋涂转数，利用台阶仪测得每种浓度下不同的旋涂转数所形成的薄膜厚度。在掌握了膜厚的基础上，开始制备这三种浓度下，根据旋涂的转数形成不同有源层厚度的P3HT有机薄膜晶体管。并且利用安捷伦公司的4155C半导体测试仪测试每种浓度下每个膜层厚度的器件性能。测试后得到了浓度为8mg/ml，有源层厚度为550 ?时器件的性能达到最好。之后我们应用原子力电子显微镜进行器件有源层薄膜的表征，寻找器件性能的差异原因，并且提出进一步提高器件性能的方案，对器件的制备进一步修饰，以得到性能更好的器件。
论文还论述了退火工艺对有机薄膜晶体管器件性能的影响。分别做了80℃—220℃条件下（间隔是20℃）的真空和N2两种环境下对器件进行1个小时的退火。经过退火后的测试，发现在160℃条件下真空环境里器件的性能比退火之前具有了很大的提高，迁移率将近提高了一倍。分析了退火后器件性能提高的原因，是由于退火后薄膜内颗粒变大，以及在真空条件下颗粒表面和颗粒之间粘附的气体分子减少，减少了薄膜的陷阱，有利于载流子的传输。
第二章基本原理
2.1有机薄膜晶体管的工作原理
本论文主要是研究的P3HT有机薄膜晶体管，有源层为P型半导体材料，因此以P 型半导体材料，空穴载流子累积型OTFT为例，介绍有机薄膜晶体管的工作原理，如图2.1。
图2.1 P型有机薄膜晶体管的工作原理
从图2.1可以看到其实有机薄膜晶体管就像是一个平行板电容器，由源漏电极、有机半导体薄膜层、绝缘层和栅电极组成。源漏电极和有机半导体薄膜层相当于平行板电容器一个电极，栅极则相当于另一个电极，绝缘层相当于电容器中的介质层。根据在1.1中的场效应原理，通过控制栅极电压的变化能控制器件的导电能力。
当栅压V GS为0V时：由于有机半导体材料本征电导率都小于10-10S.cm，所以即使在源漏电极之间加上电压V D，在有机薄膜层也不会有电流I DS流过，器件处于关闭状态，即所谓的―关态‖。当栅极加负电压时：由于场效应原理，就如同平行板电容器一样，在加上负的电压，空穴就会从源电极提供并注入到有机半导体层，在有机半导体层与绝缘层的界面之间累积起来，而绝缘层的另一端则累积电子。在比较小的栅极电压下，诱导产生的空穴电荷主要是用来填补在器件中的半导体或绝缘层自身的陷阱，将无法产生导电的沟道。只有当栅极电压大于阈值电压（V th）时，导电沟道才能够产生，在源漏电极之间加上一个负电压，就会在有机半导体层中产生电流的流动。因此阈值电压的定义为：当在有机薄膜晶体管中的有源层形成导电沟道时是所加的栅极电压称之为阈值电压。随着栅极电压的继续增加，有源层中的导电沟道增厚，相应的电阻变小，源极和漏极之间的电流就会增加。但是像平行板电容器一样如果栅极的电压过大，则整个器件就会被击穿，电流就不会再源极和漏极之间产生，而是在源极和栅极之间流动，整个器件被毁坏。有机薄膜晶体管在正常工作时有源层中的电流大小是受源极和
栅极电压与源极和漏极之间的电压共同来进行控制的。
由此器件在工作时电流是受到两种电压的共同控制的，在不同的栅极电压情况下，有源层中的电流I DS的大小变化与源极和栅极之间电压V DS的变化关系曲线称之为有机薄膜晶体管的输出特性曲线，如图2.2所示。把在不同的源极和漏极电压情况下，有源层中的电流I DS的大小随着栅极电压V GS的变化关系曲线称之为有机薄膜晶体管的转移特性曲线，如图2.3所示。
图2.2 有机薄膜晶体管的输出特性曲线
图2.3 有机薄膜晶体管的转移特性曲线
在源极和漏极之间的电压V D 比较的小时T G D V -V V ?，由于栅压是固定的，也就是说从源极注入的载流子空穴数是一定的。这时源极和漏极之间的电流I DS 会随着源极和漏极之间电压V D 的大小变化产生线性的增加，称这个区域为线性区。线性区域可以通过如下公式2.1来表达：
D D T G i V V V V ??
?
?
?
-
-=
2C L
W I D μ （2.1）
公式中的C i 为单位面积的绝缘层电容(F/cm 2)，L 为有源层的沟道长度，W 代表有源层的沟道宽度，V T 是器件的阈值电压，μ为载流子的场效应迁移率。迁移率的定义为：单位电场下多数载流子的漂移速度。迁移率的数值直接决定整个晶体管的性能好坏。因为对于0TFT 的应用主要是作为开关元件，而对于器件开关的速度大小就是由迁移率来体现。我们定义：
const
=?
???
?
???D V G D V
I
为跨导g m ，g m 的意义为在源极与漏极的电压为常数时，栅极的电压大小对器件中的电流的控制能力。如图2.3中转移特性曲线中曲线的斜率的数值即为跨导g m 的大小。根据跨导能够得到在线性区中载流子的迁移率μ。其数值由下面的公式2.2得出：
D
V i c
o n s t
V G D
m C L
W V
I g D μ=
???? ?
???== （2.2）
当
T
G D V -V V ?的时候，由于器件中靠近漏电极一端的导电沟道被夹断，当电流
传输到这一侧时其传输主要靠的是隧穿效应，则I D 逐渐达到饱和状态,我们称这一区域为饱和区。在这个区域中我们看到I D 的大小变化只是与V G 有关系而与V D 的大小没有关系，其电流表达式下面公式（2.3）：
()2
D C 2L
W I T
G i V V -=
μ （2.3）
()
2
C W 2L ?
???
?????=
G
D i V I μ （2.4）
由公式（2.3）很容易得出在这一区域内场效应迁移率的计算公式为下面方程式
（2.4），方程式中的：
(
)?
?
??
?
???G D V
I 的数值，能够通过对器件的转移特性曲线进行曲线
拟合，来获得曲线的斜率来的得到。
如图2.4所示。图中代表斜率的直线延长到与X轴相交的一点即为阈值电压。有机薄膜晶体管的另一个重要性能的参数为开关电流比（I on/I off），另一个重要性能的参数为开关电流比（I on/I off），体现的是有机薄膜晶体管的整体性质。定义为在一定栅极电压下的开态电流值和关态电流之比。
图2.4转移特性曲线进行曲线拟合
2.2 有源层的制备工艺
在有机薄膜晶体管的制备过程中，最为重要的一步就是有源层的制备。由于对于有机半导体材料而言，其材料的特性不是完全的相同的，并且材料之间的特性会有很大的差别。如果在制备有源层薄膜的过程中采用的制备工艺不同，那么所形成的薄膜性质也便会有很大的差别。对大多数的有机小分子而言，尤其是对那些难溶的，且化学性质相对稳定的有机小分子半导体材料，如要制备这种材料的溶液，那么溶剂的选取就十分的困难，因此在制备薄膜的工艺方面一般都是采用的真空气相沉积的工艺。而对于有机聚合物材料而言，由于其材料自身的特性，其在真空环境或者是在高温的条件下，材料的内部分子链容易断开，这样在制备有源层薄膜的过程中，通常采用溶液加工的方法。总体来说，有机薄膜晶体管有源层的制备工艺主要有：1. 真空蒸镀工艺；2. 溶液加工工艺；3. 物理气相沉积工艺。接下来我来分别的介绍一下这些工艺方法：
真空沉积：真空蒸镀的工艺技术比较的适合有机小分子材料。这种工艺主要是通过在真空的环境下将有机材料进行加热，使得被加热的有机材料升华，最后沉积在放
置在材料上方的基片上的有机薄膜制备工艺。在应用这种方法制备有机薄膜过程中，可以通过对材料沉积速率和器件基地的温度来控制薄膜的形成有序度，并且能够精确的控制所形成薄膜的厚度。通过这种工艺制备的有源层薄膜纯度高，并且薄膜具有高度有序的特点。而对于有机薄膜晶体管来说，其有源层薄膜的高度有序对整个器件性能具有最为重要的意义。这种工艺所制备的器件的迁移率相比于其他的有机成膜技术制备器件的迁移率要高出几个数量级。其缺点主要是：只是适合用来制备有机小分子材料的有机薄膜晶体管，因为对于有机聚合物材料在高温下材料就会裂解了，所以这种工艺不能用来制备聚合物材料。还有就是这种工艺需要有真空或者是超真空的腔体条件，那么其所需要的设备比较的复杂，所以制备成本就会很高，这样也就限制了其在大规模的工业生产中的应用。
溶液成膜工艺：溶液成膜工艺主要的适合于有机聚合物材料。因为对于大部分有机聚合物材料来说，都是比较的容易找到其适合的溶剂来制备其聚合物溶液。那么通过对其溶液的处理的工艺方法，制备成有源层薄膜就是溶液成膜工艺。溶液成膜的工艺比较的多，主要有：旋涂、滴涂、提拉、电化学聚合、分子自组装、Langmuir-Blodgett 成膜、印刷、喷墨打印等方法。这些溶液成膜工艺技术都具有很好的可操作性，并且条件温和，可以获得大面积、均匀性好、连续的聚合物薄膜。我们可以通过控制溶液的浓度、旋涂的转速，提拉的速度等实验参数达到精确的调节薄膜的厚度。而且这些工艺技术的加工温度都比较的低，也不需要真空的条件和复杂的设备支持，工艺简单。因此大大的降低了器件的制备成本，很是适合工业化生产。其缺点是制备的薄膜的质量不如真空蒸镀的好，器件的迁移率要相比真空蒸镀方法制备的器件的迁移率小一个到几个数量级。
下面简单的介绍一些溶液工艺。提拉工艺是通过在配置好的溶液中放入基片，然后利用提拉机将其缓慢的提出溶液。这种方法制备的薄膜的膜厚比较的均匀并且有序度也比较的高，聚合物的分子链不容易断裂。可以通过提拉的速度和溶液的浓度来控制薄膜的厚度。电化学聚合工艺是一种合成导电聚合物的主要方法。历史上第一个基于聚噻吩有机场薄膜晶体管就是采用此方法进行制备的。其缺点是半导体层和绝缘层的界面性质比较的差，半导体薄膜的纯度比较的低，所以到目前为止人们在有源层的加工方法中已经将其淘汰。分子自组装膜是我们把基片放入溶液中让其溶液自然的蒸发，当溶剂挥发完后自然的在基片上成膜，这个过程是通过材料的分子通过其自身化学键的相互作用，自动的地搭建结合形成相对稳定有序的超分子结构。对于分子自组装形成的薄膜可以通过化学掺杂和嫁接的方法对器件的有源层薄膜进行修饰，这种方法在有源层的制备上具有极其广泛的应用前景。印刷技术是将待成膜的有机半导体溶液蘸在已经设置好的带有图案花样的版上，然后就像我们印刷试卷一样，按着这样的图案将其图案印在基底上，然后使得溶液自组装形成薄膜。喷墨打印的技术也就是像打印试卷一样，只不过不是墨汁而是有机聚合物的溶液。
下面简单的介绍两种具有代表性的喷墨打印的方法：连续打印法和脉冲法。连续
打印工艺采用的是通过利用设备中的超声波喷口喷射其自身带有静电荷的小墨滴，然后在利用电压来掌握小墨滴在基片上的位置。对于脉冲式打印是目前比较普遍使用的喷墨打印工艺。其工作模式又分为两种：其中一种工作方式是通过利用压电系统来控制电信号进而来掌控喷嘴喷出的墨滴喷射到基板上。第二种方法是采用快速加热的办法把墨水投向基底。由于不需要加热，所以采用第一种方法的设备较多。印刷和喷墨打印两种工艺很是适合大规模的生产，进而商业化，因而具有很大的开发潜力。对于LB成膜工艺，这种技术虽然是一种可以获得很高质量薄膜的方法，但是通常只是使用于双亲分子，因此限制了其在器件制备过程中的应用。
物理气相沉积技术：前面介绍的工艺都是制备有机材料多晶的方法，而要获得高质量的有机半导体的单晶材料，应用物理气相沉积的工艺技术。由于在多晶薄膜晶粒的接触边界会有缺陷的存在，这样就会使得载流子在传输的过程中遇到阻碍，有的时候甚至会不能够穿越缺陷继续传输。这样由于这些缺陷就会产生电荷积累势垒或者是造成费米能级钉扎。有机半导体的单晶薄膜与多晶薄膜相比不仅高度有序，并且缺陷也会大量的减少。不过有机半导体单晶膜只有在特殊条件下升华制得，大都是采用的物理气相法沉积方法制备。采用这种方法制备的器件是我们研究有机薄膜晶体管中载流子传输机制的最为好的方法。缺点是有机半导体的单晶比较的昂贵，并且制备工艺要求精密复杂，以至于不适合于商业化。
2.3 有机薄膜晶体管的结构
有机薄膜晶体管是三端有源器件，结构其实就跟一个平行板电容器一样。由源漏电极、有机半导体层、绝缘层、栅电极、基底五部分组成的电学器件。根据有机半导体层和源漏电极在器件的制备过程中沉积的次序不同，可以将其分为底接触器件构型
图2.5（a）底栅顶接触构型图2.5（b）底栅底接触构型
和顶接触器件构型，如图2.5（a）为顶接触器件结构，图2.5（b）为低接触器件结构。这两种结构是制备有机薄膜晶体管所采用的最为常用的结构。当然这两种结构所制备的同一种有机材料的晶体管时，常常的也会出现性能上的差异，也就是说他们各自都
有各自的优缺点。制备顶接触的有机薄膜晶体管时工艺难度比较的大。因为在制备矩阵时要对金属电极进行光刻和刻蚀，这样对于那些对于光和化学药品十分敏感的材料就会变性，并且很容易引入杂质，以至于导致整个器件的性能大大的降低。如图我们可以看到底接触构型器件的有源层制备在绝缘层上，而绝缘层上还有源和漏电极，这样就会导致金属电极和绝缘层的界面处产生一定的空隙，也就是形成了很多的缺陷，以至于加大了接触电阻，使得电荷难以注入，这样也会降低器件的性能。
图2.5的栅极都是制备在整个器件的下方，其实我们也可以将其制备在上面。这样我们就把栅极制备在上面的器件叫做顶栅结构，而制备在下面的则称之为底栅结构。如图2.5（a ）就称之为底栅顶接触结构，那么相应的图2.5（b ）称之为底栅底接触结构。如图2.6（a ）为顶栅极顶接触结构，图2.6（b ）为顶栅极底接触结构。
图2.6（a ）顶栅顶接触构型 图2.6（a ）顶栅底接触构型
图2.7（a ）具有外延层的结构 图2.7（b ）有源层封闭的结构
为了避免上面提到的各种结构在器件制备过程中所难免的一些缺点，以来提高器件的性能。一些科研机构对器件的基本结构进行的改进，如图2.7（a ）所示在有机半导体生长之前，在其下面先外延了一层其它的有机材料。我们称这种材料为过渡层材料，也叫为外延层。这层有机薄膜可以起到缓冲的作用，使得有机材料生长的更加的完美。也就是说有机半导体材料生长在外延层上要比直接生长在衬底或者是生长在绝缘层上要好的多，大大的减少了接触面的缺陷。另外如图2.7（b ）所示。有人也采用了在有源层上在生长一层有机材料的器件结构，这样便起到了保护有机半导体薄膜的作用，使得有源层免受外界的光和各种气体等杂质的影响，同样提高了整个器件的性
集成电路分析与设计 课程实验1（2010-03-18） 熟悉Cadence设计软件中的Schematic Editing进行原理图编辑，并使用Spectre工具进行仿真验证。 要求及说明： 1. NMOS和PMOS晶体管的1级模型参数参考教材(拉扎维，P32)中表 2.1，相应的Spectre 模型为hquicmodel_v1.0.scs。 2. 假设VDD=3V，NMOS和PMOS器件的衬底端子（B，除非另有说明）分别接地和VDD （或最正的电压节点），（W/L）=50/2（即W=50u，L=2u）。 3. 采用直流扫描（DC Sweep，改变VX），画出IX和晶体管的跨导关于VX的函数曲线图。 4. 解释分析结果，比较仿真分析结果与你的手工计算结果。 5. 报告截止提交日期为2008年3月25日。 题目： （参考拉扎维的模拟CMOS集成电路设计P34-35） 2.5 对图2.42的每个电路，画出I X 和晶体管跨导(g m )关于V X 的函数曲线。V X 从0变化到V DD 。 +1.9V x V (b) 1V x V 2.42 图 2.6 对图2.43的每个电路，画出I X 和晶体管跨导(g m )关于V X 的函数曲线。V X 从0变化到V DD 。
I 原理图绘制篇 1.右键open Terminal 2.输入icfb&
3.回车启动Cadence 4.Tools – Library Manager…
5.File-Library新建项目 6.输入建立的项目的名称-OK
7.选择Don’t need a Techfile-OK 8. File-Cell View新建项目
有机场效应晶体管的研究 摘要：有机场效应晶体管(Organic Field Effect Transistors,OFETs)是以有机半导体材料作为有源层的晶体管器件。和传统的无机半导体器件相比，由于其可应用于生产大面积柔性设备而被人们广泛的研究，在有机发光、有机光探测器、有机太阳能电池、压力传感器、有机存储设备、柔性平板显示、电子纸等众多领域具有潜在而广泛的应用前景。文中对OFET结构和工作原理做了简要介绍，之后重点讨论了最近几年来OFET中有机材料和绝缘体材料的发展状况，接着总结了OFET制备技术，最后对OFET发展面临问题及应用前景做了归纳和展望。关键词：有机半导体材料；有机场效应晶体管；迁移率;绝缘体材料；柔性面板显示 0引言 场效应晶体管( Field Effect Transistor FET)是利用电场来控制固体材料导电 性能的有源器件。由于其所具有体积小、重量轻、功耗低、热稳定性好、无二次 击穿现象以及安全工作区域宽等优点，现已成为微电子行业中的重要元件之一。 目前无机场效应晶体管已经接近小型化的自然极限，而且价格较高，在制备 大表面积器件时还存在诸多问题。因此，人们自然地想到利用有机材料作为FET 的活性材料。自1986年报道第一个有机场效应晶体管( OFET )以来，OFET研究 得到快速发展，并取得重大突破。由于OFET具有以下突出特点而受到研究人员 的高度重视：材料来源广，工作电压低，可与柔性衬底兼容，适合低温加工，适 合大批量生产和低成本，可溶液加工成膜等。从使用共扼低聚物成功地制造出第 一个有机场效应晶体管，到全有机全溶液加工的光电晶体管的诞生，这些突破性 进展对有机半导体材料的发展无论从理论上还是工业生产上都起到了巨大的推 动作用。 1器件结构、工作原理及性能评定 1. 1有机场效应晶体管基本结构 传统的有机场效应晶体管的主要包括底栅和顶栅两种结构，其中底栅和顶栅 结构又分别包括顶接触和底接触两种结构，如图1所示。
薄膜晶体管的定义： Thin Film Transistor (薄膜场效应晶体管)，是指液晶显示器上的每一液晶象素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。从而可以做到高速度高亮度高对比度显示屏幕信息。TFT属于有源矩阵液晶显示器。 补充：TFT（ThinFilmTransistor）是指薄膜晶体管，意即每个液晶像素点都是由集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动，从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息，是目前最好的LCD彩色显示设备之一，其效果接近CRT显示器，是现在笔记本电脑和台式机上的主流显示设备。TFT的每个像素点都是由集成在自身上的TFT来控制，是有源像素点。因此，不但速度可以极大提高，而且对比度和亮度也大大提高了，同时分辨率也达到了很高水平。 TFT ( Thin film Transistor，薄膜晶体管）屏幕，它也是目前中高端彩屏手机中普遍采用的屏幕，分65536 色及26 万色，1600万色三种，其显示效果非常出色。 平板显示器种类： 经过二十多年的研究、竞争、发展，平板显示器已进入角色，成为新世纪显示器的主流产品，目前竞争最激烈的平板显示器有四个品种： 1、场致发射平板显示器（FED）； 2、等离子体平板显示器（PDP）； 3、有机薄膜电致发光器（OEL）； 4、薄膜晶体管液晶平板显示器（TFT-LCD）。 场发射平板显示器原理类似于CRT，CRT只有一支到三支电子枪，最多六支，而场发射显示器是采用电子枪阵列（电子发射微尖阵列，如金刚石膜尖锥），分辨率为VGA（640×480×3）的显示器需要92.16万个性能均匀一致的电子发射微尖，材料工艺都需要突破。目前美国和法国有小批量的小尺寸的显示屏生产，用于国防军工，离工业化、商业化还很远。 等离子体发光显示是通过微小的真空放电腔内的等离子放电激发腔内的发光材 料形成的，发光效应低和功耗大是它的缺点（仅1.2lm/W，而灯用发光效率达80lm/ W以上，6瓦/每平方英寸显示面积），但在102～152cm对角线的大屏幕显示领域有很强的竞争优势。业内专家分析认为，CRT、LCD和数字微镜(DMD)3种投影显示器可以与PDP竞争，从目前大屏幕电视机市场来看，CRT投影电视价格比PDP便宜，是PDP最有力的竞争对手，但亮度和清晰度不如PDP，LCD和DMD投影的象素和价格目前还缺乏竞争优势。尽管彩色PDP在像质、显示面积和容量等方面有了明显提高，但其发光效率、发光亮度、对比度还达不到直观式彩色电视机的要求，最重要的是其价格还不能被广大家用消费者所接受，这在一定程度上制约了彩色PDP 市场拓展。目前主要在公众媒体展示场合应用开始普遍起来。 半导体发光二极管（LED）的显示方案由于GaN蓝色发光二极管的研制成功，从而一举获得了超大屏幕视频显示器市场的绝对控制权，但是这种显示器只适合做户外大型显示，在中小屏幕的视频显示器也没有它的市场。 显示器产业的专家一直期望有机薄膜电致发光材料能提供真正的象纸一样薄的 显示器。有机薄膜电致发光真正的又轻又薄，低功耗广视角，高响应速度（亚微妙）
并五苯有机薄膜晶体管的制备 作为半导体材料中的佼佼者，基于pentacene的OTFT器件有着较高的载流子迁移率，并且有研究者已经发现基于pentacene的OTFT对水蒸气、某些气体正戊醇蒸气都有着很好的响应能力。实验采用基于pentacene作为器件的有机层，价格低廉的PMMA为绝缘层，Au作为源漏电极。OTFT制作工艺流程如图4-1所示。所用的设备主要包括超声波清洗器、匀胶机、OLED-V型有机多功能高真空成膜设备和微控数显电热板，型号为LadTech EH35B。 基板清洗绝缘层成膜 退火处理 器件测试 有机层成膜 源漏电极 图4-1OTFT制作工艺流程图 4.1.1基片清洗 实验中采用的衬底为玻璃基片，定制的玻璃基片已经溅射有ITO薄膜，上面残留有很多污渍，平整度和洁净度都较低，对OTFT器件整体性能有着极其重要的影响，所以需要对玻璃基片进行清洗。本论文中所制备的OTFT器件的尺寸为3.1cm×3.1cm，如图4-2所示，中间部分为溅射的ITO薄膜作为栅极，黑色的部分为利用掩膜版制备的源漏电极。
图4-2实验室制备有机薄膜晶体管结构示意图 主要清洗步骤如下： (1)首先选择高度平整的已刻蚀有栅极ITO玻璃基片，利用沾有清洗剂的无尘布擦洗基片，然后在清洗剂溶液中超声10min。 (2)取出装有玻璃基片的清洗架，在丙酮溶液中超声10min，再用沾有丙酮溶液的无尘布擦洗基片，然后在去离子水中超声10min。 (3)取出装有玻璃基片的清洗架，用去离子水冲洗，最后在无水乙醇中超声清洗10min后。清洗后用高纯氮气吹干基片。 4.1.2绝缘层薄膜制备 本实验制备的OTFT器件为底栅底接触型结构，典型器件结构如图4-3所示，首先制备绝缘层。PMMA具有良好的热稳定性，高电阻率，尤其可采用工艺简单的旋涂法成膜。Puigdollers等人采用不同的绝缘层(PMMA和SiO2)制备了OTFT器件，观察到基于PMMA为绝缘层的晶体管性能优于以SiO2为绝缘层的晶体管性能，有着更高的迁移率，发现是由于PMMA表面比SiO2更有利于形成大的薄膜颗粒。实验中，首先PMMA溶解于氯仿中，配成浓度为7%wt的溶液,将配置好的溶液的小玻璃瓶放在磁力搅拌器底盘的正中间，搅拌12个小时。如图所示KW-4A旋涂仪器，首先将匀胶机低转速设定为400rpm，旋转时间为5s，高转速设置为2000rmp，旋转时间为1min。将基片置于旋转载物台上，启动机械泵后，然后将PMMA溶液滴涂在基片上旋涂，先以低速运转，使溶液摊开，然后自动变到高速运转成薄膜。然后在150℃温度下，将器件退火1h。经过测试，PMMA厚度为520nm，绝缘层介电常数为5.1nF/cm2。
膜材料发展前景与展望 一、国内外经济对膜产业的重大需求 近几十年发展起来的膜技术是以具有选择透过性的膜材料作为核心，在膜两侧推动力下，实现混合物分离、提纯、浓缩的分离技术。与过滤、精馏、萃取、蒸发等传统分离技术相比，膜技术具有能耗低、分离效率高、设备简单、无相变、无污染等优点，因此被称为新型高效分离技术。作为一种高新技术，膜技术并不是高不可攀的，实际上，它就在我们身边。比如，随处可购买到的纯净饮用水绝大部分采用膜技术净化得到；为保持乳品的营养价值及水果的风味，牛奶、酸奶、奶酪等也可以采用膜技术进行除菌、浓缩及杂质去除。 在21世纪的多数工业中，膜技术将扮演重要角色，在水资源、能源、环境、传统产业改造等领域发挥重大作用。 在缓解水资源短缺方面，预计到2050年，我国缺水总量将达4000亿m3，因缺水而导致的工业总产值损失大约2000亿元，农业总产值损失大约1500亿元。膜法海水淡化技术、膜法水质净化技术、膜及其集成技术将成为解决我国北方资源性缺水、南方水质性缺水和城市缺水的有效手段。 在化工与石油化工领域，分离过程能耗占到了总能耗的70％左右，分离效率低还导致了严重的环境污染问题。膜分离技术可以高效低能耗地实现高精度分离，是过程工业节能降耗的共性技术之一。譬如，膜法精密过滤代替蒸发，可节能40％以上，减少溶剂消耗量30%以上；膜法渗透汽化技术代替精馏，进行有机物脱水，可节能50％
以上；膜技术是过程工业减排的关键支撑技术，采用膜法处理油田回注水、焦化废水等，可实现工业废水循环利用，减少废水排放量；采用膜法可以实现废酸、废碱资源化利用，实现废液零排放。 此外，膜技术还是改造传统产业、推进相关行业技术进步的高新技术，可以说，膜技术的发展得到了全球范围的高度重视，美国、日本、欧洲等多国政府将膜技术作为21世纪高新技术进行研究与开发，制定了相应的研究开发计划，促进了膜技术和产业的强劲发展。我国政府对膜技术的研究和开发同样十分重视，自“六五”以来，已连续六个五年计划都把膜技术作为重点项目进行支持。2010年出台《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》将高性能膜材料列入战略性新兴产业，为膜技术和膜产业的自身发展，膜应用市场的培育带来了前所未有的机遇。 经过5O多年的发展．中国膜产业逐渐走向成熟。特别是近20年来，中国膜产业高速增长，总产值从1993年2亿元人民币上升到20O8年200亿元(膜行业总产值是指膜制品、膜组件、膜附属设备及相关工程的总值，膜制品与膜组件是整个行业的核心)。 在21世纪的许多工业中，都将膜技术的重要性提升到了战略高度。2009年我国膜产业总产值约240亿元，2010年约300亿元。按照目前年均30%的增幅，未来5年我国膜产业有望突破1000亿元。可以预见，膜技术将迎来产值大幅增加的黄金十年，它所带动的相关产业产值总量更是不可估量。膜技术将在水资源、能源、环境、传统产业改造等领域发挥重大作用。
薄膜材料的应用与发展 薄膜材料的发展以及应用，薄膜材料的分类，如金刚石薄膜、铁电薄膜、氮化碳薄膜、半导体薄膜复合材料、超晶格薄膜材料、多层薄膜材料等。各类薄膜在生产与生活中的运用以及展望。 1 膜材料的发展 在科学发展日新月异的今天，大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位。 自然届中大地、海洋与大气之间存在表面，一切有形的实体都为表面所包裹，这是宏观表面。生物体还存在许多肉眼看不见的微观表面，如细胞膜和生物膜。生物体生命现象的重要过程就是在这些表面上进行的。细胞膜是由两层两亲分子--脂双层膜构成，它好似栅栏，将一些分子拦在细胞内，小分子如氧气、二氧化碳等，可以毫不费力从膜中穿过。膜脂双层分子层中间还夹杂着蛋白质，有的像船，可以载分子，有的像泵，可以把分子泵到膜外。细胞膜具有选择性，不同的离子须走不同的通道才行，比如有K＋通道、Cl－通道等等。细胞膜的这些结构和功能带来了生命，带来了神奇。 2 膜材料的应用 人们在惊叹细胞膜奇妙功能的同时，也在试图模仿它，仿生一直以来就是材料设计的重要手段，这就是薄膜材料。它的一个很重要的应用就是海水的淡化。虽然地球上70％的面积被水覆盖着，但是人们赖以生存的淡水只占总水量的2.5％～3％，随着人口增长和工业发展，当今世界几乎处于水荒之中。因此将浩瀚的海水转为可以饮用的淡水迫在眉睫。淡化海水的技术主要有反渗透法和蒸馏法,反渗透法用到的是具有选择性的高分子渗透膜,在膜的一边给海水施加高压,使水分子透过渗透膜,达到膜的另一边,而把各种盐类离子留下来,就得到了淡水。反渗透法的关键就是渗透膜的性能,目前常用有醋酸纤维素类、聚酰胺类、聚苯砜对苯二甲酰胺类等膜材料.这种淡化过程比起蒸法法,是一种清洁高效的绿色方法。 利用膜两边的浓度差不仅可以淡化海水,还可以提取多种有机物质。工业生产中，可用膜法过滤含酚、苯胺、有机磺酸盐等工业废水，膜法过滤大大节约了成本,有利于我们的生存环境。 膜的应用还体现在表面化学上面。在日常生活中,我们会发现在树叶表面,水滴总是呈圆形,是因为水不能在叶面铺展。喷洒农药时,如果在农药中加入少量的润湿剂(一种表面活性剂),农药就能够在叶面铺展,提高杀虫效果,降低农药用量。 更重要的，研究人员还将膜材料用于血液透析，透析膜的主要功能是移除体内多余水份和清除尿毒症毒素，大大降低了肾功能衰竭患者的病死率[1] 3 膜材料的分类 近年来,随着成膜技术的飞速发展,各种材料的薄膜化已经成为一种普遍趋势。 薄膜材料种类繁多,应用广泛,目前常用的有：超导薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、绝缘薄膜、钝化与保护薄膜、压电薄膜、铁电薄膜、光电薄膜、磁电薄膜、磁光薄膜等。目前很受人们注目的主要有一下几种薄膜。 3.1金刚石薄膜 金刚石薄膜的禁带宽，电阻率和热导率大，载流子迁移率高，介电常数小，击穿电压高，是一种性能优异的电子薄膜功能材料，应用前景十分广阔。 近年来,随着科技的发展,人们发展了多种金刚石薄膜的制备方法,比如离子束沉积法、磁控溅射法、热致化学气相沉积法、等离子化学气相沉积法等.成功获得了生长速度快、具有较高质量的膜,从而使金刚石膜具备了商业应用的可能。
VDMOS功率晶体管的版图设计 系 专业姓名 班级学号 指导教师职称 指导教师职称 设计时间2012.9.15－2013.1.4
摘要 VDMOS 是微电子技术和电力电子技术融和起来的新一代功率半导体器件。因具有开关速度快、输入阻抗高、负温度系数、低驱动功率、制造工艺简单等一系列优点，在电力电子领域得到了广泛的应用。目前，国际上已形成规模化生产，而我国在VDMOS 设计领域则处于起步阶段。 本文首先阐述了VDMOS 器件的基本结构和工作原理，描述和分析了器件设计中各种电性能参数和结构参数之间的关系。通过理论上的经典公式来确定VDMOS 的外延参数、单胞尺寸和单胞数量、终端等纵向和横向结构参数的理想值。根据结构参数，利用L-edit版图绘制软件分别完成了能够用于实际生产的60V、100V、500V VDMOS 器件的版图设计。在此基础之上确定了器件的制作工艺流程，并对工艺流水中出现的问题进行了分析。最后，总结全文，提出下一步研究工作的方向。 关键词：，功率半导体器件，版图设计，原胞，击穿电压
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第1章绪论 电力电子系统是空间电子系统和核电子系统的心脏，功率电子技术是所有电力电子系统的基础。VDMOSFET 是功率电子系统的重要元器件，它为电子设备提供所需形式的电源以及为电机设备提供驱动。几乎大部分电子设备和电机设备都需用到功率VDMOS 器件。VDMOS 器件具有不能被横向导电器件所替代的优良性能，包括高耐压、低导通电阻、大功率和可靠性等。 半导体功率器件是电力电子系统进行能量控制和转换的基本电子元器件，也称为电力电子开关器件。它是用来进行高效电能形态变换、功率控制与处理，以及实现能量调节的新技术核心器件。电力电子技术的不断发展为半导体功率器件开拓了广泛的应用领域，而半导体功率器件的可控制特性决定了电力电子系统的效率、体积和重量。实践证明，半导体功率器件的发展是电力电子系统技术更新的关键。通常，半导体功率器件是一种三端子器件，通过施加于控制端子上的控制信号，控制另两个端子处于电压阻断（器件截至）或电流导通（器件导通）状态。20 世纪50 年代初，世界上第一只可控性半导体器件双极结型晶体管（BJT）诞生，从那时起，BJT 开始广泛应用于各类电子系统中，并促使人类真正进入大功率电能转换的时代。 实际上大容量电功率概念与半导体器件技术相结合的研究开发从50 年代就已经开始。1958 年世界上第一只晶闸管（早期称为可控硅整流管，300V/25A）研制成功，使半导体技术在工业领域的应用发生了革命性的变化，有力的推动了大功率（高电压、大电流）电子器件多样化应用的进程。在随后的二十多年里，功率半导体器件在技术性能和应用类型方面又有了突飞猛进的发展，先后分化并制造出功率逆导晶闸管、三端双向晶闸管和可关断晶闸管等。在此基础上为增强功率器件的可控性，还研制出双极型大功率晶体管，开关速度更高的单极MOS 场效应晶体管和复合型高速、低功耗绝缘栅双极晶体管，从此功率半导体器件跨入了全控开关器件的新时代。进入90 年代，单个器件的容量明显增大，控制功能更加灵活，价格显著降低，派生的新型器件不断涌现，功率全控开关器件模块化和智能化集成电路已经形成，产品性能和技术参数正不断改进和完善。电力电子技术的不断发展及广泛应用将反过来又促进现代功率半导体器件制造技术的成熟与发展。 20 世纪70 年代末，随着MOS 集成电路的发展，诞生了MOS 型半导体功率功率VDMOS 器件结构与优化设计研究器件。MOSFET 不仅是微电子学的重要器件，有
薄膜技术在能源材料中的应用——薄膜太 阳能电池 一概述 能源和环境是二十一世纪面临的两个重大问题，据专家估算，以现在的能源消耗速度，可开采的石油资源将在几十年后耗尽，煤炭资源也只能供应人类使用约200年。太阳能电池作为可再生无污染能源，能很好地同时解决能源和环境两大难题，具有很广阔的发展前景。照射到地球上的太阳能非常巨大，大约40 min照射到地球上的太阳能就足以满足全球人类一年的能量需求。因此，制备低成本高光电转换效率的太阳能电池不仅具有广阔的前景，而且也是时代所需。 太阳能电池行业是21世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔。在电池行业中，最没有污染、市场空间最大的应该是太阳能电池，太阳能电池的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。 太阳能电池种类繁多，主要有硅太阳能电池、聚光太阳能电池、无机化合物薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池、纳米晶薄膜太阳能电池和叠层太阳能电池等几大类[1]。 二薄膜太阳能电池。 1、薄膜硅太阳能电池 薄膜硅太阳能电池(硅膜厚约50μm)的出现，相对晶体硅太阳能电池，所用的硅材料大幅度减少，很大程度上降低了晶体硅太阳能电池的成本。薄膜硅太阳能电池主要有非晶硅(a—Si)、微晶硅(μc—Si)和多晶硅(p-Si)薄膜太阳能电池，前两者有光致衰退效应，其中μc—Si薄膜太阳能电池光致衰退效应相对较弱但μc-Si薄膜沉积速率低(仅1.2 nm/s) ，光致衰退效应致使其性能不稳定，发展受到一定的限制，而后者则无光致衰退效应问题，因此是硅系太阳能电池
的发展方向[1]。 太阳能电池是制约太阳能发电产业发展的瓶颈技术之一。目前主要的研究工作集中在新材料、新工艺、新设计等方面，其目的是为了提高电池转换效率和降低电池制造成本。制造太阳能电池的材料主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅以及其他新型化合物半导体材料，其中非晶硅属直接转换型半导体，光吸收率大，易于制成厚度0．5微米以下、面积l平方米以上的薄膜，并且容易与其他 原子结合制成对近红外高吸收的非晶硅锗集层光电池，这是目前的主攻方向之一；另一种是非晶硅和多晶硅混合薄膜材料，它转换率高、用材省，是新世纪最有前途的薄膜电池之一。 2、无机化合物薄膜太阳能电池 选用的无机化合物主要有CdTe，CdS，GaAs，CulnSe2(CIS)等，其中CdTe的禁带宽度为1．45 eV(最佳产生光伏响应的禁带宽度为1．5 eV)，是一个理想的半导体材料，截止2004年，CdTe电池光电转化效率最高为16．5％；CdS的禁带宽度约为2．42 eV，是一种良好的太阳能电池窗口层材料，可与CdTe、SnS和CIS等形成异质结太阳能电池；GaAs的禁带宽度为1．43 eV，光吸收系数很高，GaAs单结太阳电池的理论光电转化效率为27％，目前GaA/Ge单结太阳电池最高光电转换效率超过20％，生产水平的光电转换效率已经达到19～20％，其与GalnP组成的双节、三节和多节太阳能电池有很大的发展前景；CIS薄膜太阳能电池实验室最高光电转化效率已达19．5％，在聚光条件下(14个太阳光强)，光电转化效率达到21．5％，组件产品的光电转化效率已经超过13％；CIS 薄膜用Ga部分取代In，就形成Culn1-x Ga x Se2 (简称CIGS)四元化合物，其薄膜的禁带宽度在1．04～1．7 eV范围内可调，这为太阳能电池最佳禁带宽度的优化提供了机会，同时开发了两种新的材料，用Ga完全取代In形成CuGaSe2，用S完全取代Se形成CulnS2，以备In、Se资源不足时可以采用。但是，Cd和As是有毒元素，In和Se是稀有元素，严重地制约着无机化合物薄膜太阳能电池的大规模生
场效应晶体管中英文介绍（field-effect transistor，缩写：FET） 场效应晶体管是一种通过电场效应控制电流的电子元件。它依靠电场去控制导电沟道形状，因此能控制半导体材料中某种类型载流子的沟道的导电性。场效应晶体管有时被称为单极性晶体管，以它的单载流子型作用对比双极性晶体管（bipolar junction transistors，缩写：BJT）。尽管由于半导体材料的限制，以及曾经双极性晶体管比场效应晶体管容易制造，场效应晶体管比双极性晶体管要晚造出，但场效应晶体管的概念却比双极性晶体管早。 历史 场效应晶体管于1925年由Julius Edgar Lilienfeld和于1934年由Oskar Heil分别发明，但是实用的器件一直到1952年才被制造出来（结型场效应管，Junction-FET，JFET）。1960年Dawan Kahng发明了金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-effect transistor, MOSFET），从而大部分代替了JFET，对电子行业的发展有着深远的意义。 基本信息 场效应管是多数电荷载体的设备。该装置由一个活跃的信道，通过该多数载流子，电子或空穴，从源到流向漏极。源极和漏极端子导体被连接到半导体通过欧姆接触。的通道的导电性的栅极和源极端子之间施加的电位是一个函数。 FET的三个端子是： 源极（S），通过其中的多数载流子输入通道。进入该通道，在S点的常规的电流被指定由IS。漏极（D），通过其中的多数载流子离开的通道。常规电流在D通道进入指定的ID。漏源电压VDS。 栅极（G），调制的通道的导电性的端子。通过施加电压至G，一个可以控制的ID。 场效应晶体管的类型 在耗尽模式的FET下，漏和源可能被掺杂成不同类型至沟道。或者在提高模式下的FET，它们可能被掺杂成相似类型。场效应晶体管根据绝缘沟道和栅的不同方法而区分。FET的类型有： DEPFET（Depleted FET）是一种在完全耗尽基底上制造，同时用为一个感应器、放大器和记忆极的FET。它可以用作图像（光子）感应器。 DGMOFET（Dual-gate MOSFET）是一种有两个栅极的MOSFET。 DNAFET是一种用作生物感应器的特殊FET，它通过用单链DNA分子制成的栅极去检测相配的DNA链。 FREDFET（Fast Recovery Epitaxial Diode FET）是一种用于提供非常快的重启（关闭）体二极管的特殊FET。 HEMT（高电子迁移率晶体管，High Electron Mobility Transistor），也被称为HFET（异质结场效应晶体管，heterostructure FET），是运用带隙工程在三重半导体例如AlGaAs中制造的。完全耗尽宽带隙造成了栅极和体之间的绝缘。 IGBT（Insulated-Gate Bipolar Transistor）是一种用于电力控制的器件。它和类双极主导电沟道的MOSFET的结构类似。它们一般用于漏源电压范围在200-3000伏的运行。功率MOSFET仍然被选择为漏源电压在1到200伏时的器件.
第六章 薄膜材料及其应用（1） 主要内容 一、超硬薄膜 二、智能薄膜 三、纳米薄膜 四、三族元素氮化物薄膜 五、巨磁和庞磁薄膜 六、铁电薄膜 七、红外敏感薄膜 八、人工周期调制材料 一、超硬薄膜 材料的硬度不仅取决于材料的宏观性质（弹性和塑性），而且 也取决于材料的微观性质（原子间的相互作用力）。合成超硬材料对于了解原子间相互作用的微观特性与宏观特性间的基本关系，以及纯技术的应用都十分重要。 超硬材料（包括已有超硬材料和理论预言超硬材料）可以分为三类： 1. 由周期表中第2、3周期的轻元素所形成的共价和离子-共价化合物； 2. 特殊共价固体，包括各种结晶和无序的碳材料； 3. 与轻元素形成的部分过渡金属化合物，如：硼化物、碳化物、氮化物和氧化物。 超硬材料的特点 1. 超硬材料在正常条件下大多是亚稳相； 2. 绝大多数超硬材料都是共价型或离子型固体； 3. 过渡金属化合物超硬材料具有共价键和金属键； 4. 超硬材料在元素周期表中都由位于中间位置的主族元素组成，这些元素具有最小离子、共价或金属半径，且固态中的原子间具有最大的结合能； 5. 元素中电子壳层的周期填充使固体中的原子半径或分子体积呈规律性变化； 6. 元素固相在变化时，如具有最小摩尔体积，则具有最大的体弹性模量、最大的结合能和最高的熔点。满足Aleksandrov 关系： k 为体弹性模量，Vm 为摩尔体积，Ec 为结合能 对单一元素的固体， 绝大多数在1-4； （一）由原子序数较小的元素形成的超硬化合物 这些超硬材料由位于第2、3周期中的元素如：铍、硼、碳、氮、氧、铝、硅、磷 的化合物组成。它们能形成三维刚性点阵、原子间具有较强的共价键。典型的离子-共价化合物例子是氧化物，如：刚玉Al2O3，超石英（SiO2的高压相）。 这些超硬化合物主要有：BeO 、B6O 、P2O5、Al-B-O 系统、CNx 、SiC 、Be2C 、Si3N4及其它硼碳化合物、硼磷化物、硼硅化物等。 （二）碳材料 由于C 原子间存在不同类型的化学键合，所以C 存在大量的同素异构体和无序相。如 sp3 C 杂化键合形成的金刚石，是最硬的的已知材料。所以可将碳划到特殊材料。 单晶金刚石的维氏硬度达70-140GPa 。另一sp3 C 杂化键合形成的六方金刚石具有与金刚石类似的力学性质。近年来，利用各种沉积技术，制备了高sp3 键合度的非晶碳膜，也称类金刚石薄膜。它的显微硬度达到70GPa 。足球烯C60是有C 的sp2 原子键合形成m c V E k ∝160.5/E kV c m -≡
“薄膜晶体管的制备及电学参数”调研报告 （青岛大学物理科学学院，应用物理系） 摘要：20世纪平板显示技术的出现，把人类带入了信息社会，人类社会从此发生了质的飞跃。而平板显示的核心元件就是薄膜晶体管TFT(nlin Film Transistor)，一种在掺杂硅片或玻璃基底上通过薄膜工艺制作的场效应晶体管器件。将半导体氧化物作为有源层来制作TFT用于平板显示中，不仅能获得较高迁移率，器件性能优越，而且制造工艺简单、低温下可以获得，显示出了巨大的应用前景。本文综述了薄膜材料的制备方法，薄膜晶体管的发展历程与应用以及其结构、工作原理和测试表征方法。 关键词：薄膜材料，薄膜晶体管，制备，表征方法 Abstract:In the 20th century,the emergence of the flat panel display technology has brought human beings into the information society．Since then the human society happened a qualitative leap．The core component of flat panel display is the thin film transistor(TFT)，it is a field effect transistor device produced by thin film technology on the doped-silicon or glass．If we use the semiconductor oxide as the active layer，not only we can get a higher mobility，bu also the device performance call be enhanced．And the manufacturing process is simple，low temperatures also can be obtained,which shows a great prospect．The preparation method of thin film materials is reviewed in this paper, the development and application of thin film transistor and its structure, working principle and test method are characterized, Keywords: Thin film materials, thin film transistor, manufacture, characterization methods 前言 薄膜材料是指厚度介于单原子分子到几毫米间的薄金属或有机物层。当固体或液体的一维线性尺度远远小于它的其他二维尺度时，我们称这样的固体或液体为膜。薄膜材料具有良好的韧性、防潮性和热封性能，应用非常广泛。例如：双向拉伸聚丙烯薄膜（BOPP）、低密度聚乙烯薄膜（LDPE）、聚酯薄膜（PET）、镀铝薄膜、半导体氧化物薄膜等等。近几年来，以氧化锌、氧化铟、氧化锡等半导体氧化物及其合金为有源层的透明薄膜晶体管备受关注，并已取得了突破性进展。这些氧化物是优异的光电材料，具有高光学透过率、生长温度低、击穿电压高、电子迁移率高等优点，从而可以获得更好、成本更低的薄膜晶体管，并且也为新型薄膜晶体管的发展带来了契机。氧化物薄膜晶体管作为极具发展潜力的新型薄膜晶体管，具备了许多传统TFT无法比拟的优点，但是也存在诸多问题有待进一步解决。例如，如何解决外界环境对器件性能的影响，优化工艺从而降低成本，如何制作出性能优越、具有实用价值的器件等，这些都是现在研究面临的问题。本文的主要调研对象，包括氧化锌以及有机薄膜作为有源层的薄膜晶体管。 薄膜晶体管的发展历程 1925年，Julius Edger Lilienfeld首次提出结型场效应晶体管(Field
γ射线辐照对有机场效应晶体管性能的影响研究 黄小发张济鹏 （兰州大学核科学与技术学院兰州 730107） 摘要：通过制备有机场效应晶体管并对晶体管在γ射线下进行辐照，研究辐照对不同栅压下场效应管输出特性曲线的影响，以及辐照对场效应管转移特性曲线的影响。实验证明辐照使场效应管的阈值电压负向漂移，辐照时非零栅源电压引起的场效应管输出特性变化明显大于零栅源电压情况。 关键词：有机场效应管；制备；辐照；阈值电压漂移 1.实验 1.1有机场效应晶体管制备 以高掺杂五族元素的硅作为衬底，即作为n型杂质，硅衬底表面的SiO2厚度为1025nm。本实验在上述衬底上通过真空蒸发方法镀一层酞菁铜(CuPc)薄膜，再在酞菁铜膜上镀一层金(Au)作为源级和漏极，SiO2层作为栅极，制成有机场效应晶体管，下面详述实验过程： 1.1.1Si_n+衬底的清洁处理 将Si_n+衬底先后放入丙酮和乙醇溶液中清洗，然后用去离子水洗净，再经超声处理10~20分钟，之后用氮气(N2)吹干，放入烤箱中烘干。配制浓硫酸与双氧水的浓度比为3:1的腐蚀液(H2SO4:H2O2=3:1)，将烘干后的衬底放入腐蚀液中40分钟，达到去油污的目的。对衬底进行OTS处理，OTS是有机低介电常数材料十八烷基三氧硅烷，可以修饰SiO2表面，提高器件的场效应迁移率，同时降低器件的漏电流。 1.1.2真空蒸镀酞菁铜 作为第一个被报道的有机半导体酞菁类化合物是一种性能优越的有机小分子半导体材料，因为这类化合物具有二维共轭结构，分子间的π?π相互作用很大，这对于提高场效应迁移率非常有利，另外它还具有良好的热稳定性和易真空蒸镀成膜的特性，所以酞菁类化合物是制备有机薄膜晶体管良好的半导体材料，而其中又以酞菁铜最为常用，关于酞菁铜作为有源层的有机薄膜晶体管已有大量的报道。本实验选用酞菁铜蒸镀得到有机场效应晶体管。
薄膜技术发展历程(一)：镀膜发展史 化学镀膜最早用于在光学元件表面制备保护膜。随后，1817年，Fraunhofe在德国用浓硫酸或硝酸侵蚀玻璃，偶然第一次获得减反射膜，1835年以前有人用化学湿选法淀积了银镜膜它们是最先在世界上制备的光学薄膜。后来，人们在化学溶液和蒸气中镀制各种光学薄膜。50年代，除大快窗玻璃增透膜的一些应用外，化学溶液镀膜法逐步被真空 镀膜取代。 真空蒸发和溅射这两种真空物理镀膜工艺，是迄今在工业撒谎能够制备光学薄膜的两种最主要的工艺。它们大规模地应用，实际上是在1930年出现了油扩散泵---机械泵抽气系统之后。 1935年，有人研制出真空蒸发淀积的单层减反射膜。但它的最先应用是1945年以后镀制在眼镜片上。1938年，美国和欧洲研制出双层减反射膜，但到1949年才制造出优质的产品。1965年，研制出宽带三层减反射系统。在反射膜方面，美国通用电气公司1937年制造出第一盏镀铝灯。德国同年制成第一面医学上用的抗磨蚀硬铑膜。在滤光片方面，德国1939年试验淀积出金属—介质薄膜Fabry---Perot型干涉滤光片。 在溅射镀膜领域，大约于1858年，英国和德国的研究者先后于实验室中发现了溅射现象。该技术经历了缓慢的发展过程。1955年，Wehner 提出高频溅射技术后，溅射镀膜发展迅速，成为了一种重要的光学薄膜工艺。现有两极溅射、三极溅射、反应溅射、磁控溅射和双离子溅射等 淀积工艺。 自50年代以来，光学薄膜主要在镀膜工艺和计算机辅助设计两个
方面发展迅速。在镀膜方面，研究和应用了一系列离子基新技术。1953年，德国的Auwarter申请了用反应蒸发镀光学薄膜的专利，并提出用离子化的气体增加化学反应性的建议。1964年，Mattox在前人研究工作的基础上推出离子镀系统。那时的离子系统在10Pa压力和2KV的放电电压下工作，用于在金属上镀耐磨和装饰等用途的镀层，不适合镀光学薄膜。后来，研究采用了高频离子镀在玻璃等绝缘材料上淀积光学薄膜。70年代以来，研究和应用了离子辅助淀积、反应离子镀和等离子化学气相等一系列新技术。它们由于使用了带能离子，而提供了充分的活化能，增加了表面的反应速度。提高了吸附原子的迁移性，避免形成柱状显微结构，从而不同程度地改善了光学薄膜的性能，是光学薄膜制造 工艺的研究和发展方向。 实际上，真空镀膜的发展历程要远远复杂的多。我们来看一个这个 有两百年历史的科技历程： 19世纪 真空镀膜已有200年的历史。在19世纪可以说一直是处于探索和预研阶段。探索者的艰辛在此期间得到充分体现。1805年, 开始研究接触角与表面能的关系(Young)。1817年, 透镜上形成减反射膜(Fraunhofer)。1839年, 开始研究电弧蒸发(Hare)。1852年, 开始研究真空溅射镀膜(Grove;Pulker)。1857年, 在氮气中蒸发金属丝形成薄膜(Faraday;Conn)。 1874年, 报道制成等离子体聚合物(Dewilde;Thenard)。1877年,薄膜的真空溅射沉积研究成功(Wright)。1880年, 碳氢化合物气相热解(Sawyer;Mann)。1887年, 薄膜的真空蒸
晶体管设计 大功率晶体管是功率驱动电路的核心元件。大功率晶体管通常工作在极限参数状态下，其主要参数是击穿电压和电流容量。分析了大功率晶体管的工作原理和设计原则，并针对一个具体的大功率晶体管的参数要求，设计了晶体管的纵向和横向结构尺寸，并确定了材料参数和工艺参数。 大功率品体管以其电压高，电流大，功率大的独特优势随着社会的进步得到了不断的拓展。在五十年代，锗合金工艺相对硅成熟，因此锗管成为大功率品体管的先声，在大功率晶体管中占据着主流地位。硅大功率晶体管在1956年问世。从此品种繁多的各种硅功率管大量应用到通讯和雷达设备、发射电路中的功率放大器、倍频器和振荡器等。由于硅材料容易获得且能工作在较高温度具有小的反向电流和高的耐压特性等优点，因而在后期硅的发展速度远远超过锗管。 功率开关管作为各种类型开关电源的主功率开关器件，随着开关电源的日益发展，其应用范围更加广泛。目前，硅大功率晶体管已广泛地应用于: (1)电源开关、反相器、电机速度控制: (2)汽车的点火电路，制动电路; (3)用于广播、电视的高频放大和电子计算机，通信设备的电源装置和各类开关电源等方面。 (4)军事工业和航空航天工业大功率设备。 大功率晶体管以其电压高、电流大、功率大的独特优势在自动化控制系统、
计算机电源系统、交通电气设备、不停电电源装置及各类开关电源、各种变流系统、军事工业及航空航夭工业部门的大功率设备中占有非常重要的地位。即使在集成电路技术和新型电力电子器件迅速发展的今天，普通型大功率晶体管在半导体产业这个大家族中仍占有一席之地，特别是在集成电路所不能胜任的领域(诸如低噪声，高耐压，大电流，大功率和微波性能等方面)发挥愈来愈大的作用。因此，进一步研究、设计、制造大功率晶体管具有重要意义。 大功率晶体管区别于小功率晶体管的最大工作特点就是在大的耗散功率或输出功率条件下工作(即在大电流或高电压)。因此，大功率品体管除了在大电流一下保证足够的放大能力和承受较高的集电极电压外，还必须有良好的散热能力。 2. 1大功率晶体管的大电流效应 从晶体管原理可知，当晶体管在大电流或则高压下工作时，会发生一些不同于小电流工作的效应和现象:基区电导调制效应，基区增宽效应，基极电阻自偏压效应和发射极电流集中现象等。 基区电导调制效应:从晶体管的工作机理可知，晶体管的工作电流越大，则注入到基区的少数载流子就越多。为了保持基区电中性的要求，在基区内需要引入同等数量的多数载流子。这样一来，就会使基区内导电的载流子浓度增加，增大了基区的电导率，也就是说，基区的电导率受到了工作电流的调制。山于基区电导率的增加，将使少子在基区内被复合的几率增加，导致电流放大系数下降。 基区增宽效应:在大的电流密度时，晶体管集电结空间电荷区域内的运动载流一子浓度将大大增加。当集电极电流密度达到或超过某一定值时，由于运动载流子浓度的急剧增加，致使集电结附近的空间电荷出现重新分布的现象一基区一边集电结的电荷密度将大大增加，而集电区一边的集电结空间电荷密度将下降。由
薄膜材料制备原理、技术及应用知识点1 一、名词解释 1. 气体分子的平均自由程:自由程是指一个分子与其它分子相继两次碰撞之间，经过的直线路程。对个别分子而言，自由程时长时短，但大量分子的自由程具有确定的统计规律。气体分子相继两次碰撞间所走路程的平均值。 2. 物理气相沉积（PVD）：物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。物理气相沉积的主要方法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。发展到目前，物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。 3. 化学气相沉积（CVD）：化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。它本质上属于原子范畴的气态传质过程。 4. 等离子体鞘层电位：等离子区与物体表面的电位差值ΔV p即所谓的鞘层电位。 在等离子体中放入一个金属板，由于电子和离子做热运动，而电子比离子的质量小，热速度就比离子大，先到达金属板，这样金属板带上负电，板附近有一层离子，于是形成了一个小局域电场，该电场加速了离子，减速电子，最终稳定了以后，就形成了鞘层结构，该金属板稳定后具有一个电势，称为悬浮电位。 5. 溅射产额：即单位入射离子轰击靶极溅出原子的平均数，与入射离子的能量有关。 6. 自偏压效应：在射频电场起作用的同时，靶材会自动地处于一个负电位下，导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。 7. 磁控溅射：在二极溅射中增加一个平行于靶表面的封闭磁场，借助于靶表面上形成的正交电磁场，把二次电子束缚在靶表面特定区域来增强电离效率，增加离子密度和能量，从而实现高速率溅射的过程。 8. 离子镀：在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物部分离化，产生离子轰击效应，最终将蒸发物或反应物沉积在基片上。结合蒸发与溅射两种薄膜沉积技术而发展的一种PVD方法。 9. 离化率：被离化的原子数与被蒸发气化的原子数之比称为离化率.一般离化装置的离化率仅为百分之几,离化率较高的空心阴极法也仅为20～40% 10. 等离子体辅助化学气相沉积（PECVD）技术：是一种用等离子体激活反应气体,促进在基体表面或近表面空间进行化学反应,生成固态膜的技术。等离子体化学气相沉积技术的基本原理是在高频或直流电场作用下，源气体电离形成等离子体，利用低温等离子体作为能量源，通入适量的反应气体，利用等离子体放电，使反应气体激活并实现化学气相沉积的技术。 11. 外延生长：在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段，故称外延生长。 12. 薄膜附着力:薄膜对衬底的黏着能力的大小，即薄膜与衬底在化学键合力或物理咬合力作用下的结合强度。 二、填空： 1、当环境中元素的分压降低到了其平衡蒸气压之下时，元素发生净蒸发。反之，元素发生净沉积。 2、在直流放电系统中，气体放电通常要经过汤生放电阶段、辉光放电阶段和弧光放电阶段三个放电过程，其中溅射法制备薄膜主要采用辉光放电阶段所产生的大量等离子体来形成溅射。 3、溅射仅是离子轰击物体表面时发生的物理过程之一，不同能量的离子与固体表面相互作用的过程不同，不仅可以实现对物质原子的溅射，还可以在固体表面形成沉积现象和离子注入现象。 4、溅射法所采有的放电气体多为Ar气，主要原因是惰性气体做为入射离子时，物质溅射产额高，从经济方面考虑，多使用Ar做为溅射气体。 5、直流溅射要求靶材具有良好的导电性，否则靶电流过小，靶电压过高，而射频溅射方法以交流电源提供高频电场，高频电场可经由其它阻抗形式进入沉积室，不再要求电极一定是导电体，使溅射过程摆脱对靶材导电性的要求。 6、磁控溅射存在的缺点。 1 微观永远大于宏观你永远大于人类今天永远大于永远■■■■■■■■纯属个人行为，仅供参考■■■■■■■■勿删■■■■■■■■■