基于有限元方法的有机薄膜晶体管性能分析

陈跃宁, 李 琳, 徐 征, 张成文

(1. 辽宁大学 物理学院, 沈阳 1100361; 2. 北京交通大学 光电子技术研究所, 北京 100044)



材料科学

基于有限元方法的有机薄膜晶体管性能分析

陈跃宁1, 李 琳1, 徐 征2, 张成文2

(1. 辽宁大学 物理学院, 沈阳 1100361; 2. 北京交通大学 光电子技术研究所, 北京 100044)

有机薄膜晶体管(organic thin film transistor, OTFT)是一种以有机半导体材料作为有源层的晶体管,是有机电子学的重要研究内容之一。近年来,人们在实验的基础上得到了一些OTFT的基本特性。旨在从基本的物理模型和数学模型出发,通过有限元方法对顶栅底接触式的OTFT器件进行模拟,从而在理论上将OTFT器件的部分特性表征出来。经过模拟,可以看到OTFT器件的电位分布和载流子密度分布趋势与实验得到的特性基本一致,尤其是夹断现象的产生,与实际情况基本吻合。

有机薄膜晶体管(OTFT); 有限元法;载流子密度; 器件模拟

有机薄膜晶体管由于在电子标签、射频识别卡和平板显示的驱动电路等中的潜在应用而获得了广泛的关注[1-2]。特别是对一些基础而关键问题的研究,例如,有机和无机材料的接触处能级的排列、不同基底沉积出的有机薄膜的分子排列以及在同一基底上不同沉积条件对有机薄膜分子排列的影响等取得了一定的进展[3-6]。近年来,有机电子器件取得了迅速的发展。据报道,基于并五苯的有机薄膜晶体管的场效应迁移率和开关比已经达到了多晶硅场效应晶体管的水准[7-9]。然而,由于有机薄膜晶体管是电压控制器件,其性能也可以用栅压控制源漏电流的大小来表征。栅控源漏电流大,则器件电压控制能力强,器件性能好。反之,器件性能不好。而栅控源漏电流的大小与有机薄膜晶体管的器件参数,例如:场效应迁移率、阈值电压和栅电容等有着密切的关系,因而研究二者之间的关联性对于提高有机薄膜晶体管器件性能是非常重要的。目前对此问题研究虽有报道,但不够深入。本文运用有限元器件模拟方法,通过计算机的模拟计算,模拟器件沟道形成和夹断的过程,并进一步探究器件的参数对OTFT器件沟道载流子的影响,进而提出提高器件性能的方法。

1 器件模拟

有机薄膜晶体管可分为底栅顶接触、底栅底接触、顶栅顶接触和顶栅底接触4种典型结构。以顶栅底接触结构的OTFT器件为例,分析其工作机理并进行模拟。图1为并五苯顶栅底接触结构的OTFT器件工作机理示意图。

图1 OTFT器件结构及工作机理

由图1可知,当无栅压时,若源漏极之间加电压VDS,由于有机半导体中本征载流子浓度很小,故源漏极间电流为零或有很小的漏电流。此时晶体管工作在截止状态。当栅电压大于阈值电压时,有机半导体中的多数载流子空穴在栅压产生的电场作用下向栅极附近半导体表面移动,在源漏电极间形成P型导电沟道,若在源漏极之间加以小量电压VDS,空穴将由源极经导电沟道流向漏极,形成漏极电流ID,漏极电流与漏极电压成正比例。此时OTFT器件工作在线性状态。当漏极电压VDS持续增加,达到饱和时,在漏极附近的导电沟道也出现夹断现象,此时参与移动的空穴总的传输能力已经饱和,继续增大漏极电压,漏电流不再增大而维持不变,晶体管工作在饱和状态。为了运用有限元方法实现上述OTFT器件的工作过程,首先,根据文献[10]中OTFT器件尺寸建立二维物理模型,如图2所示。

图2 OTFT器件二维简化物理模型

其次,确定半导体材料中载流子运动所遵循的规则。半导体中载流子运动遵循泊松方程(1)、连续性方程(2)、载流子密度方程(3)。

(1)

(2)

(3)

式中:φ为电位;q为单位电荷电量;ε0为真空电介质常数;ε为相对介电常数;N为空穴合成负电中心浓度;p为本征空穴浓度;n为本征电子浓度;Jp为空穴电流密度;μp为空穴迁移率;Dp=qKT/μp为扩散系数;G和R为空穴的产生和复合率。由于空穴型有机半导体材料,例如并五苯,其中本征电子载流子极少可略,常温下空穴的产生和复合率也可以忽略,且模拟的是OTFT器件的稳态工作情况,所以,式(1)和式(2)可简化为式(4)和式(5)。

(4)

(5)

最后,确定模拟中的各个参数、边界条件和初始值。本文针对目前制作的性能最高的并五苯有机薄膜晶体管进行模拟,其绝缘层为SiO2电极采用金。由于金与并五苯之间接触势垒很小,故认为二者是欧姆接触,并为了模拟简化过程而忽略接触电阻的影响,则模拟参数选取如表1所示。

表1 模拟器件的物理和几何参数

由于只对有源区进行模拟,所以只考虑有源区域的边界电位和载流子初始密度值。如图2所示,将边界分为人为边界和物理边界。对于人为边界(ED、GH和DF)边界电位选取零电荷/对称,即满足n·D=0。n为边界法线矢量;D为电位移矢量。相应的载流子密度选取绝缘/对称,即满足n·Jp=0。对于物理边界电极与有源层接触处(AB+BG)和(HC+CD)边界电位分别为VS和VD。为了满足电中性条件,相应的初始载流子浓度为合成负电中心浓度p=N。对于物理边界绝缘层与有源层交界处分为EI、IJ和JF这3段。EI和JF段满足边界电位移连续,即n·(D1-D2)=0,其中D1和D2分别为绝缘层和有源层的电位移矢量。相应的对于该处边界载流子浓度,考虑到有源层很薄,载流子浓度基本没有变化,设为电中性,即p=N。而边界IJ段由于受到VS和VD的影响,其界面电位呈梯度变化。根据参考文献[11],呈指数规律变化,即V=(VD/1-e-L)(1-e-αx),则相应的边界载流子浓度为栅电容感应电荷密度,即由式(6)推得式(7)。

(6)

(7)

其中:Ci为栅电容;tp为沟道厚度设为单位厚度;L为沟道长度;Z为沟道宽度。

2 结果与分析

依据上述参数设定和边界条件,经过计算机模拟计算,得到在不同情况下OTFT器件有源层载流子浓度变化模拟图。图3a为栅电压VG=-20V,而VS=0V、VD=0、-5V、-10V和-15V时的有源层载流子浓度分布。图3b为VG=-20V、VS=0V、VD=10V,而Ci=2.5μF/m2和Ci=6.5μF/m2情况下,沟道载流子浓度变化模拟图。图3c为VG=-20V、VS=VD=0V,而有源层中初始空穴载流子p=107和p=105时,沟道载流子浓度变化的模拟图。

由图3a可以看出,当施加栅压时,有源层和绝缘层交界处载流子浓度增加,导电沟道形成,此时再施加横向源漏电压VD,则在靠近漏极处载流子浓度减少,并随着VD的不断增加,漏极处载流子浓度不断减少而出现饱和现象。此结果与目前对OTFT器件工作机理的认识是一致的。图3a和图3c可以看出,增大栅电容值和提高有机材料中初始空穴载流子数量都能使沟道载流子浓度增加。对于大栅电容值引起的沟道载流子浓度增加是因为电容效应的结果。由电容公式C=Q/U可知,在栅压一定时,栅电容越大则在沟道处感应的电荷越多,因而沟道中载流子浓度增高。对于提高初始空穴载流子浓度,可以使有源层空穴总数增多。在栅极电压作用下,将有更多的空穴载流子被吸入沟道中,沟道中载流子浓度增高。此2种参数增大的结果是沟道电阻减小,在一定栅、漏电压作用下,源漏电流增加,即栅控源漏电流增大。

图3 (a)不同VD时载流子密度分布; (b)不同Ci沟道载流子浓度变化; (c)不同p沟道载流子浓度变化

3 结 论

本文通过对有机薄膜晶体管载流子浓度分布的模拟,验证了目前对有机薄膜晶体管工作机理认识的正确性。通过对栅电容和有源层初始载流子浓度的模拟,得出提高此2种参数,可以使沟道中载流子浓度增高,沟道电阻减小。对于提高栅电容,可以在制作器件时,采用高介电常数的绝缘材料作绝缘层。对于提高有源层初始载流子浓度,可以选用高载流子浓度的有机材料作有源层。

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[11]CHEN Yuening, XU Zheng, ZHAO Suling, et al. The theoretic electrical characteristics of the organic thin film transistors based on capacitance modulation[J]. Chin Phys Lett, 2013,30(3):037302.

Simulation of organic thin-film transistor based on finite element method

CHEN Yuening1, LI Lin1, XU Zheng2, ZHANG Chengwen2

(1. Physics Department, Liaoning University, Shenyang 110036, China; 2. Institute of Optoelectronics Technology, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Organic thin-film transistor (OTFT), a kind of transistors based on organic semiconductor materials as the active layer, is one of the important researches on organic electronics. In recent years, we have got some basic characteristics of the OTFT by experiment. In order to get some characteristics of the OTFT device in theory, we simulate the OTFT device with top-gate and bottom contact geometry through the finite element method on the basis of physical model and mathematical model in this article. The simulation shows that the potential distribution and carriers distribution of OTFT device almost accord with the experimental results, especially the pinch-off phenomenon occurs, which is in line with the results basically.

organic thin-film transistor (OTFT); finite element method; carrier density; device simulation

1673-5862(2017)02-0129-04

2017-01-07。

国家自然科学基金资助项目(11474018,61575019); 国家重点研发计划(2016YFB0401302); 辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2014003)。

陈跃宁(1960-),男,浙江镇海人,辽宁大学教授,博士。

TN402

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2017.02.001