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上海交通大学-领挚科技-SmartKem携手在Advanced Electronic Materials发表论文

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发表时间:2022-05-20 14:02作者:LinkZill News

近期,上海交通大学,领挚科技和SmartKem合作的论文“ Eliminating Leakage Current in Thin-Film Transistor of Solution-Processed Organic Material Stack for Large-Scale Low-Power Integration ”在Advanced Electronic Materials上发表。


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DOI: 10.1002/aelm.202200014,点击文末阅读原文可进入原文链接)


论文背景


在过去的几十年里,人们在材料化学和加工技术方面做出了巨大的努力,以提高有机薄膜晶体管(Organic Thin Film Transistor: OTFT)的器件迁移率。在许多低功耗的电子系统中,降低漏电电流也同样重要,甚至更为关键。OTFT中的漏电可能由三个来源造成:①通过栅绝缘体(GI)层的部分;②通过通道的内在部分和通道区域外的寄生漏电部分;③通过GI层的漏电依赖于GI层的质量和厚度,而通道区域外的寄生漏电可以通过图案化OSC层得到有效抑制。


本工作采用顶栅底接触(TGBC)结构,在金属-半导体接触处引入了由自组装单层(SAM)分子组成的强偶极界面层,以抑制少数载流子注入,实现低漏电和稳定运行,同时不影响多数载流子注入。器件结构中的栅极绝缘体(GI)漏电和寄生漏电也分别通过耐溅射聚合物GI层和光刻图案的OSC岛得到有效抑制。这些器件具有良好的迁移率,典型值为1.98 cm^2·Vs^-1,漏电流低至10E-18Aµm^-1,在较宽的栅极电压范围内(100V)具有较大的导通/关断率(>10E10),达到了理论极限。在加工温度很低(120℃)的情况下,也达到了无机对应产品的最佳水平。该材料堆的可制造性在200mm * 200mm的基板上得到了验证,并展示了4.7英寸有源矩阵有机发光二极管显示器(OTFT-AMOLED),集成了超过15万个OTFTs,可以在超低帧率(0.1Hz)下运行,从而能节省功耗。


核心要点


①理清了影响有机薄膜晶体管器件漏电流的物理机制,开发了基于硫醇材料自组装分子单层修饰电极的方法以提高少子注入势垒,抑制少子漏电流的方法;

②实现了溶液法有机薄膜晶体管在开关比(>10E10),漏电流(<10E-17A/μm)等方面的性能突破;

③低温溶液法工艺(<120℃)在200mm * 200mm的基板上制备了4.7英寸的有机发光二极管显示面板,并实现了0.1Hz的超低显示帧率,实现超低功耗显示。


面向大规模、低功耗集成的溶液法、超低漏电有机薄膜晶体管的设计原则


在底层接触结构的OTFT中,用基于硫醇的SAM分子对金(Au)或银(Ag)触点进行表面修饰已被广泛用于控制结晶和降低接触电阻,但漏电流特性未被研究。烷硫醇或全氟烷硫醇分子往往吸附在Au或Ag电极的表面,以获得均匀有序的SAM。SAM层的存在改变了表面能量特性,从而影响了上面OSC的结晶。由于在与两种不同类型的SAM的界面上存在相反的电偶极矩,金属表面的功函数可以在不同的方向上改变。有了大电负性的全氟烷硫醇SAM,电极的功函数可以增加,以减少空穴注入屏障,进而减少ON状态下的接触电阻。另一方面,这种大电负性也会增加电子注入屏障高度,这与SAM的偶极矩成正比。基于上述讨论,这种基于SAM的设计能够创造一个理想的界面层,以消除少数电子注入,实现低漏电流和出色的操作稳定性,同时不影响ON状态下的空穴注入。该设计也可以很好地纳入到TGBC结构中,以实现高性能OTFT的大规模集成。


OTFT的器件结构和所用的材料由一个p型小分子OSC三乙基(2-{1,4,8,11-四甲基-13-[2-(三乙基硅)乙炔基]戊烯-6-基}乙炔基)硅烷(TMTES-戊烯)被用来形成主通道,其Eg约为1.9eV。三聚物粘合剂与TMTES-戊烯混合,以改善溶液的可加工性和结晶质量。三聚物粘合剂的三种单体的分子结构。3-氟-4-甲氧基苯硫酚SAM被用来修饰Au电极表面,以增强空穴注入,同时抑制高栅场下的电子注入。它的偶极矩被计算为2.54,是所有常用于电极表面改性的SAM中最大的,因此可以帮助创建高电子注入屏障。该SAM还修改了电极表面能量,以获得大面积的高质量的均匀结晶结构。


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溶液沉积的双层结构有机GI(OGI)是由约150nm厚的CYTOP层和约400nm厚的抗溅射层(SRL)组成。前者是为了与OSC通道形成一个无极性陷阱的界面,后者是为了保护OGI在随后的金属溅射过程中不受高能离子的破坏。据测量,OGI的特定电容约为6nF/cm^2。所有的金金属电极和互连都是使用标准的精细金属化工艺,包括溅射、光刻和湿法蚀刻形成的。通道的长度被定义为大约6μm。OSC通道是通过标准的干式蚀刻工艺,使用栅极金属作为掩模,而不影响形成的OSC层和OSC-OGI界面。整个OTFT叠层的加工温度低于120℃。


SAM处理过的接触面和混合的OSC配方共同作用下,在200mm * 200mm的衬底面积上制造的25个器件(W/L=400μm/6μm)在测量的|ID|-VGS特性和提取的迁移率的统计分布方面呈现出良好的均匀性(图b)。测量的导通电流在从10μm到50000μm的3个等级的宽范围内表现出优异的线性度(图c),这进一步证明了OSC结晶的均匀性,以及在电路设计中随通道宽度的性能扩展。


对少数载流子注入的抑制以及高质量的金属-OSC和OSC-OGI界面的形成使其具有出色的运行稳定性。在VGS在ON和OFF状态之间多次扫频250次后,所制造的超宽通道器件(W/L=100000µm/6µm)仍然保持超低的漏电流,从而保持大的ON/OFF比率(图d)。在负的或正的VGS偏压(NBS和PBS)3600s的情况下,该器件的测量|ID|-VGS曲线和提取的Vth值的变化可以忽略不计(图e、f)。


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基于上述OTFT器件工艺,在200mm*200m的衬底上制作了一个4.7英寸的320*240的OTFT-AMOLED显示屏(图b),其像素布局照片图(图c)。可看出该显示器能够在不刷新的情况下,在10s内保持OLED亮度几乎不变,这是迄今为止报告的最低帧率(0.1Hz)。


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