退火时间对Zro玻璃OTFT的性能的影响₂作为闸极介电层

摘要

酞菁铜基有机薄膜晶体管与氧化锆(ZrO₂）由于栅极电介质已经在玻璃基板上制造。栅极电介质在n中退火₂在不同的持续时间（5,15,40和60分钟），以研究退火时间对OTFTS电气性质的影响。实验结果表明，OTFT的退火时间越长，性能越好。在研究的设备中，具有栅极电介质的OTFT在350°C中退火₂60分钟显示最佳的设备性能。它们具有-0.58 V的小阈值电压，低亚阈值斜率为0.8 v /十年，低截止状态电流为0.73 na。这些特征表明，制造的装置适用于低压和低功率操作。与TFT样品相比5分钟相比，退火60分钟的迁移率较高，亚阈值坡度和断线电流较小近两倍。扩展退火可以有效地减少高k薄膜中的缺陷，并产生更好的绝缘体/有机界面。这导致载体散射量的较低量，用于载流量的较大的Cupc晶粒。

1.介绍

由于重量轻，机械柔韧性和低成本制造，有机薄膜晶体管（OTFTS）具有广泛的应用，如传感器，平板显示器和RFID标签[1-3.］．1986年报道了第一个基于有机半导体聚噻吩的OTFT [4.］．掺杂掺杂的硅基板通常用于制造OTFT，因为它们是高导电的并且可以用作装置的栅极。此外，高品质栅极电介质SIO₂可以直接在硅衬底上热生长。然而，对于在玻璃或塑料基板上制作的下一代OTFTs和氧化物TFTs，金属栅电极是必要的。通过在柔性塑料基片上制造OTFTs，未来将有可能生产出可集成到小型设备(如笔)中的可卷起显示器。在OTFTs中有三种主要的介质类型:无机介质、聚合物介质和自组装层。对于无机介电材料，二氧化硅通常作为OTFT的栅绝缘体。然而，这种OTFT需要相对较高的电压(约100 V)才能运行。为了降低工作电压和功耗，在OTFTs中经常使用高k材料作为栅极介质。几种高k介质被用来制造OTFT，例如HfO₂[5.),阿尔₂O._3.[6.]，TIO.₂[7.),助教₂O._5.[8.], BaTiO_3.[9.］．有机晶体管的性能主要取决于栅极绝缘体的质量，绝缘体/有机界面，有机薄膜的形态和电荷注入过程。重要的是，具有适当的形态学的合适和高质量的栅极绝缘体，以实现光滑的绝缘体/有机界面。沉积的高k薄膜通常松散地包装并含有杂质和缺陷，例如氧空位，氧气间质和/或氧缺陷[10.］．这些缺陷和杂质将在高k介质中引起瞬态电荷俘获和泄漏电流[11.］．已经开发了各种表面钝化方法，以实现高质量的高k otfts，例如在紫外线（UV）臭氧和氮化气体中的退火，用八烷基三氯硅烷（OTS），聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），聚乙酸乙烯酯和离子的表面处理光束辐照，并使用叠层绝缘子结构。在这项研究中，广泛应用最有希望的高k电介质之一，氧化锆（Zro₂），用作栅极电介质。ZRO.₂是具有高介电常数（〜15-25）的稳定金属氧化物[12.]和一个大带隙（5.8eV）。据报道，Zro₂具有最低泄漏电流[13.］．此外，由于ZrO的存在，它是一种很有前途的制备大面积柔性显示器的材料₂薄膜可以是透明的并且具有良好的粘附性粘附性粘合性[14.］．Zro的影响₂研究了对氮气环境的退火处理时间对基于Cupc基有机薄膜晶体管的电性能。提出了设备的电气和物理特性。

2.实验细节

康宁2947玻璃基片(25 × 25 mm)²)被用于这项研究，因为它们是机械稳定，低成本，并兼容大面积应用，如等离子电视。底物用标准团的Alconox、丙酮、甲醇和去离子水清洗，然后紫外臭氧处理15分钟。然后在2.5 × 10的基底压力下将基底加载到溅射室中^-6托。在室温下沉积厚度为150 nm的铝栅，沉积速率为0.4 Å/sec。40nm厚的ZrO₂然后从纯度为99.95%的锆靶上，以130w的射频功率在混合Ar/O₂环境（AR到O.₂比率= 4:1)。沉积过程中的腔室压力为5.67 mTorr。然后样品在热板上在350°C的N₂对于不同的持续时间（0分钟，5分钟，15分钟，40分钟和60分钟）。一层40 nmP.然后通过在室温下通过图案化的阴影掩模真空蒸发沉积型半导体，铜酞菁（CUPC）。CUPC是一个稳定和有希望的P.-Type有机半导体与主要电荷载体作为孔。它可以容易地以大量和高纯度获得，因此对于染料加工，化学传感器和光学数据存储中的低成本应用特别有吸引力[15.那16.］．然后通过具有通道长度的不锈钢掩模，通过热蒸发在有机层的顶部上沉积源和漏极金垫50nm厚度36μm和频道宽度961年μm。OTFT结构的横截面如图所示1．电流电压(-)的特性由HP 4155A半导体参数分析仪测定。所有的测量都是在环境大气的室温下由一个探测站进行的。采用原子力显微镜(Veeco Dimension 3100)在攻丝模式下分析了高k ZrO的表面形貌、晶粒尺寸和均方根粗糙度₂和cupc薄膜。

3.结果与讨论

数字2显示了带ZrO的otft的输出特性₂薄膜退火0分钟和60分钟。典型的-当一个负面时获得曲线应用到设备上。在−3 V的栅极电压和−4.5 V的漏极电压下，该器件具有ZrO₂薄膜退火0分钟的漏极电流为77A na，而退火60分钟的漏极电流较大的107 na的漏极电流。OTFT的操作原理类似于传统的P.型MOSFET。在源极和漏极之间流动的电流由栅极电压调制．可以使用以下等式计算饱和状态下的设备的载波移动性： 在哪里是绝缘体的单元电容和是载波移动性。数字3.的转移特性相对在一个固定的设备的-2.5 V。亚阈值斜坡，，是一个非常重要的参数，因为它可以用来评估OTFTs的开关特性。被定义为在剧烈的沉重斜坡上评估。从，即表面态的最大密度在有机半导体/介电界面处可估计为 在哪里是电荷，玻尔兹曼常数开尔文的温度。

从晶体管特性中提取的器件的重要参数总结在表中1．结果表明，该晶体管的性能包括迁移率、亚阈值斜率、表面态密度和关态电流随退火时间的延长而改善。这应该是由于这一事实，OTFT退火较长时间可以有一个致密的ZrO₂薄膜和较厚的界面层[17.那18.]较低的界面 - 陷阱密度抑制与高K材料相关的泄漏。此外，较长的退火可以去除Zro中更多的深陷阱，氧化物电荷和不饱和键₂从而导致电介质的显著降低那和．据报道，介电粗糙度会影响OTFT的性能[19.那20.］．数字4.显示了ZrO的AFM图像₂电影具有不同的退火时间。发现从0 min延伸到60分钟的退火时间可以降低栅极介电表面粗糙度（使用AFM测量的9％）。这可以有助于减少陷阱状态，接口缺陷和电荷载波的表面散射，导致较高的移动性和更小的亚阈值斜率。更平稳的绝缘体表面也更有利地对更好的有机薄膜的生长，导致在Zro的表面上生长的较大的谷物Cupc膜₂（大约9％）。这减少了导通通道中的晶界，以实现更高的设备移动性[21.那22.］．

4。结论

综上所述，在玻璃基板上制备了高k ZrO的纸杯基OTFT₂由于栅极绝缘体已经制造和研究。研究了退火时间对器件电性能的影响。该研究表明Zro₂是用于获得低工作电压和低功耗的有前途的栅极介电材料。实验结果表明，Zro的OTFTS₂经过60 min退火的栅介质比经过0 min退火的栅介质迁移率高20%，亚阈值斜率小50%，关态电流低72%，最大表面态密度小50%。这可能是由于较长的退火时间可以提高ZrO的致密化程度₂薄膜，Zro的电介质特性₂电影，以及CUPC / ZRO的质量₂从而减少载流子散射，促进晶粒生长。

承认

作者想感谢加拿大自然科学与工程研究委员会(NSERC)和云南省科技促进计划(2009CI130和2007A0017z)对本研究的资助。

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