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Advanced Materials:利用半导体/绝缘体高分子复合薄膜构建新型电子器件

有机电子材料和器件有望在下一代柔性电子产品中大显身手。尽管有机发光二极管等有机电子器件已经被广泛用在生产生活中,然而作为有机电子器件中的一大类的晶体管目前仍然面临一些应用难题,比如迁移率低、器件种类少、稳定性差等。高分子场效应晶体管具有成本低、可溶液加工、可折叠等优点,有望用于下一代柔性电子产品。当前高分子晶体管的研究主要集中在新型半导体材料合成、薄膜的形态调控、新型的器件结构以及相应的加工方法等。

相比于纯聚合物半导体薄膜,半导体/绝缘体复合薄膜可以在很大程度上提高晶体管的性能,且具有性能稳定、机械性能好、价格低廉等优点。半导体和绝缘体混合薄膜常常出现垂直相分离,形成的(准)双层结构能进一步提高器件性能。垂直相分离使半导体材料实现面内导电通道,这对电荷面内传输至关重要,尤其是当混合材料中的半导体含量较低时。与此同时,绝缘体在半导体材料和介电层之间形成钝化层,屏蔽介电层表面的陷阱,有助于实现高迁移率。虽然垂直的双层结构有利于电荷面内传输,但是由于绝缘层的存在,不可避免地限制了晶体管结构的多样性。例如,当半导体材料富集于复合薄膜的上表面时,将导致底接触结构的晶体管器件失效,原因就是源极/漏极和半导体之间存在绝缘阻挡层。同样,半导体材料富集于薄膜下表面的垂直相分离构型则不适用于顶接触结构的器件。因此,如果能形成源极-半导体-漏极共平面结构,将会兼具顶接触和底接触两种器件结构的优点,并大大简化下游电路的制备工艺。然而,到目前为止,基于聚合物半导体/绝缘体异质结的共平面晶体管尚未有报道。


Advanced Materials:利用半导体/绝缘体高分子复合薄膜构建新型电子器件


为实现源极-半导体-漏极共平面晶体管,西安交通大学鲁广昊教授和卜腊菊副教授依托西安交通大学前沿科学技术研究院和电力设备电气绝缘国家重点实验室在绝缘介质带电的研究优势,围绕半导体/绝缘体高分子复合材料的结构与性能,研究了半导体/绝缘体双组份聚合物体系在不同基底上的去润湿特性,利用溶剂挥发过程中无规聚苯乙烯对聚合物半导体的增塑作用提高了半导体的结晶有序度,并由此发明了源极-聚合物-漏极共平面晶体管。这种晶体管结构充分利用了绝缘体组分对二氧化硅电介质层表面缺陷的屏蔽作用从而获得了较高的场效应迁移率。除此之外,得益于电极表面的去润湿现象,器件的寄生电流和漏电流获得了大幅降低,有利于获得较低的功耗并降低器件工作过程中产生的焦耳热。科研人员在此基础上,通过研究薄膜中绝缘介质在较高电场强度下的带电机制,开发了基于绝缘异质结和绝缘驻极体的新型共平面器件。利用栅极应力注入电荷至高分子绝缘层中形成驻极体,通过调制非均匀绝缘驻极体产生的非均匀电场,实现了器件性能的提升。获得的迁移率达到1 cm2/Vs以上,比栅极应力处理之前高接近一个数量级且接近非晶硅半导体的迁移率。

相关工作发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201704695)上,西安交大为独立完成单位。



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