陳躍寧, 李 琳, 徐 征, 張成文

(1. 遼寧大學(xué) 物理學(xué)院, 沈陽(yáng) 1100361; 2. 北京交通大學(xué) 光電子技術(shù)研究所, 北京 100044)

?

材料科學(xué)

基于有限元方法的有機(jī)薄膜晶體管性能分析

陳躍寧1, 李 琳1, 徐 征2, 張成文2

(1. 遼寧大學(xué) 物理學(xué)院, 沈陽(yáng) 1100361; 2. 北京交通大學(xué) 光電子技術(shù)研究所, 北京 100044)

有機(jī)薄膜晶體管(organic thin film transistor, OTFT)是一種以有機(jī)半導(dǎo)體材料作為有源層的晶體管,是有機(jī)電子學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容之一。近年來(lái),人們?cè)趯?shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到了一些OTFT的基本特性。旨在從基本的物理模型和數(shù)學(xué)模型出發(fā),通過(guò)有限元方法對(duì)頂柵底接觸式的OTFT器件進(jìn)行模擬,從而在理論上將OTFT器件的部分特性表征出來(lái)。經(jīng)過(guò)模擬,可以看到OTFT器件的電位分布和載流子密度分布趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)得到的特性基本一致,尤其是夾斷現(xiàn)象的產(chǎn)生,與實(shí)際情況基本吻合。

有機(jī)薄膜晶體管(OTFT); 有限元法;載流子密度; 器件模擬

有機(jī)薄膜晶體管由于在電子標(biāo)簽、射頻識(shí)別卡和平板顯示的驅(qū)動(dòng)電路等中的潛在應(yīng)用而獲得了廣泛的關(guān)注[1-2]。特別是對(duì)一些基礎(chǔ)而關(guān)鍵問(wèn)題的研究,例如,有機(jī)和無(wú)機(jī)材料的接觸處能級(jí)的排列、不同基底沉積出的有機(jī)薄膜的分子排列以及在同一基底上不同沉積條件對(duì)有機(jī)薄膜分子排列的影響等取得了一定的進(jìn)展[3-6]。近年來(lái),有機(jī)電子器件取得了迅速的發(fā)展。據(jù)報(bào)道,基于并五苯的有機(jī)薄膜晶體管的場(chǎng)效應(yīng)遷移率和開(kāi)關(guān)比已經(jīng)達(dá)到了多晶硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管的水準(zhǔn)[7-9]。然而,由于有機(jī)薄膜晶體管是電壓控制器件,其性能也可以用柵壓控制源漏電流的大小來(lái)表征。柵控源漏電流大,則器件電壓控制能力強(qiáng),器件性能好。反之,器件性能不好。而柵控源漏電流的大小與有機(jī)薄膜晶體管的器件參數(shù),例如:場(chǎng)效應(yīng)遷移率、閾值電壓和柵電容等有著密切的關(guān)系,因而研究二者之間的關(guān)聯(lián)性對(duì)于提高有機(jī)薄膜晶體管器件性能是非常重要的。目前對(duì)此問(wèn)題研究雖有報(bào)道,但不夠深入。本文運(yùn)用有限元器件模擬方法,通過(guò)計(jì)算機(jī)的模擬計(jì)算,模擬器件溝道形成和夾斷的過(guò)程,并進(jìn)一步探究器件的參數(shù)對(duì)OTFT器件溝道載流子的影響,進(jìn)而提出提高器件性能的方法。

1 器件模擬

有機(jī)薄膜晶體管可分為底柵頂接觸、底柵底接觸、頂柵頂接觸和頂柵底接觸4種典型結(jié)構(gòu)。以頂柵底接觸結(jié)構(gòu)的OTFT器件為例,分析其工作機(jī)理并進(jìn)行模擬。圖1為并五苯頂柵底接觸結(jié)構(gòu)的OTFT器件工作機(jī)理示意圖。

圖1 OTFT器件結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理

由圖1可知,當(dāng)無(wú)柵壓時(shí),若源漏極之間加電壓VDS,由于有機(jī)半導(dǎo)體中本征載流子濃度很小,故源漏極間電流為零或有很小的漏電流。此時(shí)晶體管工作在截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)柵電壓大于閾值電壓時(shí),有機(jī)半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子空穴在柵壓產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下向柵極附近半導(dǎo)體表面移動(dòng),在源漏電極間形成P型導(dǎo)電溝道,若在源漏極之間加以小量電壓VDS,空穴將由源極經(jīng)導(dǎo)電溝道流向漏極,形成漏極電流ID,漏極電流與漏極電壓成正比例。此時(shí)OTFT器件工作在線性狀態(tài)。當(dāng)漏極電壓VDS持續(xù)增加,達(dá)到飽和時(shí),在漏極附近的導(dǎo)電溝道也出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象,此時(shí)參與移動(dòng)的空穴總的傳輸能力已經(jīng)飽和,繼續(xù)增大漏極電壓,漏電流不再增大而維持不變,晶體管工作在飽和狀態(tài)。為了運(yùn)用有限元方法實(shí)現(xiàn)上述OTFT器件的工作過(guò)程,首先,根據(jù)文獻(xiàn)[10]中OTFT器件尺寸建立二維物理模型,如圖2所示。

圖2 OTFT器件二維簡(jiǎn)化物理模型

其次,確定半導(dǎo)體材料中載流子運(yùn)動(dòng)所遵循的規(guī)則。半導(dǎo)體中載流子運(yùn)動(dòng)遵循泊松方程(1)、連續(xù)性方程(2)、載流子密度方程(3)。

(1)

(2)

(3)

式中:φ為電位;q為單位電荷電量;ε0為真空電介質(zhì)常數(shù);ε為相對(duì)介電常數(shù);N為空穴合成負(fù)電中心濃度;p為本征空穴濃度;n為本征電子濃度;Jp為空穴電流密度;μp為空穴遷移率;Dp=qKT/μp為擴(kuò)散系數(shù);G和R為空穴的產(chǎn)生和復(fù)合率。由于空穴型有機(jī)半導(dǎo)體材料,例如并五苯,其中本征電子載流子極少可略,常溫下空穴的產(chǎn)生和復(fù)合率也可以忽略,且模擬的是OTFT器件的穩(wěn)態(tài)工作情況,所以,式(1)和式(2)可簡(jiǎn)化為式(4)和式(5)。

(4)

(5)

最后,確定模擬中的各個(gè)參數(shù)、邊界條件和初始值。本文針對(duì)目前制作的性能最高的并五苯有機(jī)薄膜晶體管進(jìn)行模擬,其絕緣層為SiO2電極采用金。由于金與并五苯之間接觸勢(shì)壘很小,故認(rèn)為二者是歐姆接觸,并為了模擬簡(jiǎn)化過(guò)程而忽略接觸電阻的影響,則模擬參數(shù)選取如表1所示。

表1 模擬器件的物理和幾何參數(shù)

由于只對(duì)有源區(qū)進(jìn)行模擬,所以只考慮有源區(qū)域的邊界電位和載流子初始密度值。如圖2所示,將邊界分為人為邊界和物理邊界。對(duì)于人為邊界(ED、GH和DF)邊界電位選取零電荷/對(duì)稱,即滿足n·D=0。n為邊界法線矢量;D為電位移矢量。相應(yīng)的載流子密度選取絕緣/對(duì)稱,即滿足n·Jp=0。對(duì)于物理邊界電極與有源層接觸處(AB+BG)和(HC+CD)邊界電位分別為VS和VD。為了滿足電中性條件,相應(yīng)的初始載流子濃度為合成負(fù)電中心濃度p=N。對(duì)于物理邊界絕緣層與有源層交界處分為EI、IJ和JF這3段。EI和JF段滿足邊界電位移連續(xù),即n·(D1-D2)=0,其中D1和D2分別為絕緣層和有源層的電位移矢量。相應(yīng)的對(duì)于該處邊界載流子濃度,考慮到有源層很薄,載流子濃度基本沒(méi)有變化,設(shè)為電中性,即p=N。而邊界IJ段由于受到VS和VD的影響,其界面電位呈梯度變化。根據(jù)參考文獻(xiàn)[11],呈指數(shù)規(guī)律變化,即V=(VD/1-e-L)(1-e-αx),則相應(yīng)的邊界載流子濃度為柵電容感應(yīng)電荷密度,即由式(6)推得式(7)。

(6)

(7)

其中:Ci為柵電容;tp為溝道厚度設(shè)為單位厚度;L為溝道長(zhǎng)度;Z為溝道寬度。

2 結(jié)果與分析

依據(jù)上述參數(shù)設(shè)定和邊界條件,經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算,得到在不同情況下OTFT器件有源層載流子濃度變化模擬圖。圖3a為柵電壓VG=-20V,而VS=0V、VD=0、-5V、-10V和-15V時(shí)的有源層載流子濃度分布。圖3b為VG=-20V、VS=0V、VD=10V,而Ci=2.5μF/m2和Ci=6.5μF/m2情況下,溝道載流子濃度變化模擬圖。圖3c為VG=-20V、VS=VD=0V,而有源層中初始空穴載流子p=107和p=105時(shí),溝道載流子濃度變化的模擬圖。

由圖3a可以看出,當(dāng)施加?xùn)艍簳r(shí),有源層和絕緣層交界處載流子濃度增加,導(dǎo)電溝道形成,此時(shí)再施加橫向源漏電壓VD,則在靠近漏極處載流子濃度減少,并隨著VD的不斷增加,漏極處載流子濃度不斷減少而出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。此結(jié)果與目前對(duì)OTFT器件工作機(jī)理的認(rèn)識(shí)是一致的。圖3a和圖3c可以看出,增大柵電容值和提高有機(jī)材料中初始空穴載流子數(shù)量都能使溝道載流子濃度增加。對(duì)于大柵電容值引起的溝道載流子濃度增加是因?yàn)殡娙菪?yīng)的結(jié)果。由電容公式C=Q/U可知,在柵壓一定時(shí),柵電容越大則在溝道處感應(yīng)的電荷越多,因而溝道中載流子濃度增高。對(duì)于提高初始空穴載流子濃度,可以使有源層空穴總數(shù)增多。在柵極電壓作用下,將有更多的空穴載流子被吸入溝道中,溝道中載流子濃度增高。此2種參數(shù)增大的結(jié)果是溝道電阻減小,在一定柵、漏電壓作用下,源漏電流增加,即柵控源漏電流增大。

圖3 (a)不同VD時(shí)載流子密度分布; (b)不同Ci溝道載流子濃度變化; (c)不同p溝道載流子濃度變化

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)有機(jī)薄膜晶體管載流子濃度分布的模擬,驗(yàn)證了目前對(duì)有機(jī)薄膜晶體管工作機(jī)理認(rèn)識(shí)的正確性。通過(guò)對(duì)柵電容和有源層初始載流子濃度的模擬,得出提高此2種參數(shù),可以使溝道中載流子濃度增高,溝道電阻減小。對(duì)于提高柵電容,可以在制作器件時(shí),采用高介電常數(shù)的絕緣材料作絕緣層。對(duì)于提高有源層初始載流子濃度,可以選用高載流子濃度的有機(jī)材料作有源層。

[ 1 ]HANSH,KIMJH,JANGAJ,etal.Lifetimeoforganicthin-filmtransistorswithorganicpassivationlayers[J].ApplPhysLett, 2006,88:073519.

[ 2 ]BAN D, HAN S, LU Z H, et al. Near-infrared to visible light optical upconversion by direct tandem integration of organic light-emitting diode and inorganic photodetector[J]. Appl Phys Lett, 2007,90:93108.

[ 3 ]LEE S H, CHOO D J, HAN S H, et al. High performance organic thin-film transistors with photopatterned gate dielectric[J]. Appl Phys Lett, 2007,90:033502.

[ 4 ]ZHANG F J, AOLLMER A J,ZHANG Z, et al. Energy level alignment and morphology of interfaces between molecular and polymeric organic semiconductors[J]. Org Electron, 2007,8:606.

[ 5 ]GUNDLACH D J, ZHOU L, NICHOLS J A. An experimental study of contact effects in organic thin film transistors[J]. J Appl Phys, 2006,100:024509.

[ 6 ]BERGGREN M., NILSSON D, ROBINSON N D. Organic materials for printed electronics[J]. Nature(London), 2007,6:3.

[ 7 ]DAVID J G. Low power, high impact[J]. Nature materials, 2007,6:173.

[ 8 ]WANG L, FINE D, DODABALAPUR A. Nanoscale chemical sensor based on organic thin-film transistors[J]. Appl Phys Lett, 2004,85(26):6386.

[ 9 ]WANG Jun, WANG Haibo, YAN Xuanjun, et al. Organic heterojunction and its application for double channel field-effect transistors[J]. Appl Phys Lett, 2004,87:093507.

[10]CHEN Yuening, XU Zheng, ZHAO Suling, et al. Research on Electrical characteristics of an organic thin-film transistor Based on alternating-current resistance[J].Chin Phys B, 2011,20:127303.

[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。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11474018,61575019); 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB0401302); 遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目(L2014003)。

陳躍寧(1960-),男,浙江鎮(zhèn)海人,遼寧大學(xué)教授,博士。

TN402

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2017.02.001