水分子对有机场效应晶体管阈值电压稳定性的影响

戚　辉， 郭　鹏， 张雪华， 丁星星， 张　莹， 李　梦

(中原工学院， 郑州 450007)



水分子对有机场效应晶体管阈值电压稳定性的影响

戚辉， 郭鹏， 张雪华， 丁星星， 张莹， 李梦

(中原工学院， 郑州 450007)

以重掺杂Si片为衬底，SiO2为栅绝缘层，并五苯为有源层，制备了有机场效应晶体管(OFETs)，研究了空气中水汽对场效应性能的影响。实验表明：当器件较长时间放置在空气中时，吸附在并五苯和SiO2接触面之间的水分子导致阈值电压漂移，器件的稳定性降低；经过热处理的器件的阈值电压漂移现象消失。提出了解释阈值电压漂移现象的模型，该模型可解释水分子在这个过程中所起的作用。

有机场效应晶体管；并五苯；阈值电压漂移；热处理

有机场效应晶体管(OFET)因材料来源广、成本低及可与柔性衬底兼容等优点受到广泛关注[1]，在有机平板显示等多领域有潜在的应用价值[2-3]。然而，有机场效应晶体管长时间放于空气中会受到空气中水汽的干扰，使其性能发生改变。近年来，空气中水汽对场效应晶体管性能的影响已引起许多科研工作者的兴趣。器件长时间放置，空气的水汽会渗透到并五苯有机层，致使并五苯晶粒边界形成陷阱[4-6]。Sharma A等提出，在水汽存在的前提下，积累层的空穴和SiO2绝缘层中的质子之间存在着动态平衡[7]，两者可以发生相互转化；还有课题组对影响OFET稳定性的其他因素进行分析，Sakai H小组证明了栅极电介质的极化可以引起阈值电压的漂移[8]；也有课题组从光照射和分子掺杂浓度等方面研究了场晶体管的稳定性[9-10]。

本文以并五苯为活性层制备OFETs，器件在空气中放置后，对样品的性能进行检测，发现并五苯接触面吸附的水分子导致了有机场效应晶体管阈值电压漂移；通过真空热处理可以使阈值电压漂移现象消失，印证了水分子确实影响有机场效应晶体管的稳定性。

1　实　验

器件结构如图1所示。其中，Au为源漏电极，并五苯是有源层，即空穴传导层，n型掺杂的Si衬底为栅极，SiO2为绝缘层。

图1　器件结构

把硅片衬底放在丙酮溶液里，用超声波清洗20 min，并用去离子水冲洗干净，在红外干燥箱内进行烘干，放置在真空干燥箱内加热到120 ℃并保持恒温2 h，然后自然冷却至室温。采用真空度为10-3Pa的真空镀膜法蒸镀并五苯作为器件的活性层，蒸发速度为0.1～0.2 nm/s，使并五苯活性层厚度为80 nm。最后，用掩模的方法蒸镀沟道，由掩模板形成的沟道长120 μm、宽14 mm。测试时，栅源电压采用可调稳压电源，通过Keithley 2400型数字源表及Keithley485型皮安表组成的测量系统获得输出的特性曲线。

2　结果与分析

2.1实验结果

把制作好的器件在真空状态下存放30 min进行测量。图2为OFETs器件的输出特性曲线(Ids-Vds曲线)。在不同栅极电压的调制下，输出特性曲线展现出了完好的饱和性。在相同的栅极电压范围内，转移特性曲线几乎完全重合，如图3所示。

图2　新器件的输出特性曲线

图3　在相同栅极电压范围内新器件转移特性曲线的比较

为了检测空气中水汽对器件不稳定性是否造成影响，本文进行了对比。把实验器件在空气中放置60 d后，测量其在不同栅极电压范围内的转移特性曲线。由图4可以清楚地观察到，有机场效应晶体管的转移特性曲线出现了明显的偏移。由图5可知，阈值电压发生了漂移，阈值电压值分别为-7 V和1 V。

图4　器件两个月后在不同栅极电压范围内转移特性曲线的比较图

图5　器件的转移特性曲线

2.2结果分析

阈值电压漂移可以通过微观机制进行解释。当器件放置于空气中较长时间后，空气中的水汽会吸附在活性层和SiO2绝缘层之间，吸附的水分子影响了器件的稳定性[11-15]。在积累层的空穴和SiO2绝缘层中的质子(与体密度有关)之间存在着热力学平衡，在水分子存在的条件下，空穴和质子之间存在着如下关系：

[H+]=α[h+]

(1)

其中，α是由反应常数和在绝缘层表面水分子的量决定的[7]。

在正栅极偏压从30 V减小至0 V时，SiO2绝缘层中的质子密度减小，质子扩散到SiO2表面转换成空穴，并移向漏极和源极，产生额外的电流，并导致阈值电压的漂移。

图6　真空热处理后两次不同栅极电压范围内转移特性曲线的比较图

对器件进行热处理，即把器件放置于真空干燥箱中160 ℃恒温保持12 h后冷却至室温，然后对器件的转移曲线进行测量，两次测得的器件的转移特性曲线见图6。可以发现，转移特性曲线几乎重合在一起，表明转移特性曲线的漂移在热处理后消失，不同栅极电压范围内器件的转移特性曲线是不变的。可见，绝缘层电介质表面吸附的水分子经热处理后被蒸发掉，阈值电压漂移被消除。热处理前后的数据证明了水分子对器件稳定性的影响。

3　结　语

对影响有机场效应晶体管稳定性的因素进行了研究,吸附在并五苯和SiO2接触面之间的水汽对并五苯有机场效应晶体管的稳定性有重要影响，导致了阈值电压的漂移。实验结果表明, 经过热处理后，器件的阈值电压漂移现象消失了。这是因为积累层的空穴和SiO2绝缘层中的质子(与体密度有关)之间存在热力学平衡，热处理使水汽被蒸发，阈值电压漂移也被消除。

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(责任编辑：陆俊杰)

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

国家自然科学基金项目(11547221)

戚辉(1981-)，男，河南开封人，硕士，主要研究方向为光电材料与器件。

1671-6906(2016)04-0033-04

TN386

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2016.04.007