 Applied Physics 应用物理, 2012, 2, 140-144 http://dx.doi.org/10.12677/app.2012.24023 Published Online October 2012 (http://www.hanspub.org/journal/app.html) The Influence of the Inducement Layer on WEG OTFT Fei Hong*, Li Tan, Qifeng Zhu, Ch angjiang Xian g, Xiaodong Guo, Ji a n fen g Shen New Display Technology Research Center, Shanghai Advanced Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Shanghai Email: *hongf@casail.com Received: Jul. 27th, 2012; revised: Aug. 18th, 2012; accepted: Sep. 1st, 2012 Abstract: OTFTs (Organic Thin Film Transistor) were prepared by the method of WEG (Weak Epitaxy Growth). The effection of the growth morphology of p-6P at difference substrate temperature and the relationship between WEG- OTFTs device performance and the morphology of p-6P inducement layer, were investigated. Furthermore, OTFTs device performance depending on the thickness of p-6P inducement layer was disclosed. We found that as the p-6P thickness rose up continuously, the WEG-OTFTs mobility increased at first then decreased, and increased again and then decreased at last. The maximum field effect mobility we obtained was 1.03 cm2/Vs at the conditions of p-6P layer thickness of 2 nm and the substrate temperature of 180˚C. Keywords: Organic Thin Film Transistor; Weak Epitaxy Growth; p-6P; Phthalocyanines 诱导层成膜对弱外延 OTFT 的影响 洪 飞*，谭 莉，朱棋锋，向长江，郭晓东，申剑锋 上海中科高等研究院新型显示技术研究中心，上海 Email: *hongf@casail.com 收稿日期：2012 年7月27 日；修回日期：2012年8月18日；录用日期：2012年9月1日 摘 要：采用弱外延生长(Weak Epitaxy Growth，WEG)的方法制备 OTFTs，研究了不同衬底温度对诱导层p-6P 生长形貌的影响，以及 WEG-OTFTs 器件特性与诱导层形貌的关系。另外，还研究了诱导层p-6P 的厚度变化对 WEG-OTFTs 场效应迁移率的影响。研究发现随着 p-6P厚度增加 WEG-OTFTs的场效应迁移率是一个先上升后 下降然后再上升再下降的过程。我们在诱导层 p-6P 的厚度 2 nm，衬底温度 180℃时得到了最大的OTFTs场效 应迁移率1.03 cm2/Vs。 关键词：有机薄膜晶体管；弱外延生长；p-6P；酞菁化合物 1. 引言 由于 OTFTs 在柔性显示、智能卡、传感器和射频 识别卡等领域的潜在应用价值[1-4]，在过去的 10 多年 里OTFTs 经历的快速的发展。到目前为止已经有很多 有机材料制备的 TFTs 的迁移率超过了非晶硅薄膜晶 体管的水平[5]。但是 OTFTs 一直没有得到应用，其中 一个最主要的原因就是有机半导体的化学和热稳定 性比较差，在溶液加工的过程中其电学特性会受到很 大的破坏[6]。因此，对高稳定性的有机半导体材料的 研究将会加速OTFTs 应用的步伐。在所有的有机材料 中，金属酞菁化合物为有着良好的化学稳定性和热稳 定性，将是OTFTs 有源层的极佳的候选材料[7]。遗憾 的是酞菁化合物的载流子的迁移率相对于目前比较 热门的并五苯材料(迁移率可达到 5~8 cm2/Vs)[8]来说 太低了，报道的酞菁化合物的迁移率仅能达到 0.02 cm2/Vs[7]。采用分子模板生长方式制备的酞菁铜(CuPc) OTFT 器件迁移率可以达到 0.12 cm2/Vs[9]。而酞菁铜 单晶晶体管的迁移率也只能达到 1 cm2/Vs[10]。如此低 *通讯作者。 Copyright © 2012 Hanspub 140  诱导层成膜对弱外延 OTFT 的影响 的迁移率水平大大限制了酞菁化合物薄膜晶体管的 应用。对于多晶态的薄膜来说其迁移率低的主要原因 是酞菁分子晶体的杂乱分布，导致薄膜存在大量的缺 陷和晶界，使得载流子的传输速率下降。2006 年，中 科院应化所闫东航研究组采用弱外延(weak epitaxy growth，WEG)的生长方法有效的提高了酞菁化合物的 迁移率[11]，将酞菁化合物生长于 p-6P (para-sexiphenyl and 2, 20; 70, 200-terphenanthrenyl)之上，在诱导层 p-6P 的帮助下可实现多晶态的酞菁化合物分子排列 有序的生长，得到了较高的场效应迁移率[11-13]。 弱外延生长方法是在较高的衬底温度下，热蒸发 生长方式先沉积一层较薄的p-6P 作为诱导层，然后再 沉积一层较厚的有机半导体充当 OTFT 的有源层，有 机分子在p-6P 上可以有序的排列成多晶态。这种有机 分子在诱导层 p-6P 上有序生长的方法被称为弱外延 生长(WEG)方法 。WEG 方法可有效的降低多晶态薄 膜的晶界和陷阱，从而提高了有机薄膜的载流子输运 能力。而 WEG 方法制备的多晶态的有机半导体薄膜 的有序度和诱导层 p-6P 的形态有很大的关联，进而影 响OTFTs 的场效应迁移率高低。而关于诱导层p-6P 的形态和厚度对 WEG-OTFTs 器件特性的影响的报道 相对较少。本文我们研究了衬底温度对 p-6P生长形貌 的影响，以及WEG-OTFTs 的迁移率对于诱导层 p-6P 厚度的依赖性。 2. 实验部分 试验中 WEG-OTFTs 采用顶电极结构，如图 1所 示。OTFT 构建在玻璃基板上，通过溅射 Mo金属形 成栅电极(Gate)，采用PECVD 方法形成300 nm厚的 SiNx膜作为栅绝缘层。为了改善有机半导体与绝缘层 接触的界面特性[14,15]，我们将 BCBO旋涂于 SiNx之 上，作为聚合物绝缘层，整体绝缘层电容9 nF/cm2。 有机材料p-6P 利用文献报道的方法合成[16]，VOPc 通 过商业途径购买。p-6P 和VOPc 均采用热蒸发的方式 依次沉积于BCBO 绝缘层上。最后采用漏掩膜版的方 式热蒸发蒸镀Au 40 nm充当 OTFTs 的源漏电极，沟 道宽长比为 2000 μm:100 μm。器件IV 性能采用 Agilent 公司的半导体测试仪 B1500A 测试，原子力图像(AFM) 通过 SPI400 获得。电学特性的测试均在室温大气环 境下进行的。 3. 结果与讨论 图2给出了不同衬底温度下制备的WEG-OTFTs (p-6P 2 nm，VOPc 30 nm)的转移特性曲线，衬底温度 分别为 160℃、180℃和200℃。图 2(a)为log|ID|与栅 源电压的对应关系曲线，图 2(b)为|ID |的平方根与栅 源电压的对应关系曲线。可以看出衬底温度180℃时 OTFTs 器件的开关电流比(Ion/off)是最优的，达到107 量级。而相对来说衬底温度 160℃制备的 OTFT 的Ion/off = 105，衬底温度 200℃制备的OTFT 的Ion/off = 106。从 图2(b)|ID|的平方根与栅源电压 Vg的对应关系曲线， 可提取 OTFTs 的阈值电压。衬底温度 180℃和 160℃制 备的 OTFTs 其Vt = –13 V，明显小于衬底温度 200℃制 备的 OTFTs 阈值电压(–20 V)。OTFTs 的场效应迁移 率可以从转移特性曲线的饱和区提取，使用以下公式 [17,18]： 2 2 i WC I DVgV L t (1) 这里 W和L分别是沟道宽度和长度，Ci是栅绝缘层的 电容，μ是场效应迁移率，Vg 是栅源电压，Vt 是阈值 电压。 衬底温度 160℃，180℃和 200℃制备的 WEG- OTFTs 器件迁移率分别为：0.75 cm2/Vs，1.03 cm2/Vs 和0.51 cm2/Vs。最高的迁移率是在衬底温度 180℃条 件下获得的。从以上结果可知衬底温度 180℃时制备 的OTFTs 的器件特性是最好的。我们认为 WEG- OTFTs 的器件性能对衬底温度的依赖性主要是和诱 导层的生长形貌有关。 图3给出了不同衬底温度下 p-6P 和VOPc 的AFM 形貌。衬底温度 200℃时诱导层 p-6P 生长的较为分散， 岛与岛之间距离较远(如图2( c))，而其上生长的 VOPc Figure 1. Structure of WEG-OTFT 图1. WEG-OTFT器件结构图 Copyright © 2012 Hanspub 141  诱导层成膜对弱外延 OTFT 的影响 Copyright © 2012 Hanspub 142 Figure 2. Transfer characteristic of WEG-OTFTs with substrate temperature 160˚C, 180˚C, 200˚C: (a) log|ID|-Vg curve; (b) Sqrt|ID|-Vg cu rve 图2. 衬底温度 160℃，180℃和200℃条件下制备的 WEG-OTFTs(p-6P 厚2 nm)的转移特曲线：(a) log|ID|与栅源电压 Vg 的对应关系曲线； (b) |ID|的平方根与栅源电压 Vg 的对应关系曲线 Figure 3. AFM morphology: (a) 2 nm p-6P on BCBO substrate temperature 160˚C; (b) 2 nm p-6P on BCBO substrate temperature 180˚C; (c) 2 nm p-6P on BCBO substrate temperature 200˚C; (d)-(f) AFM of VOPc on (a)-(c), respectively 图3. AFM图像：(a) 衬底温度 160℃条件下 2 nm厚的p-6P 生长在 BCBO 上；(b) 衬底温度 180℃条件下 2 nm厚的p-6P生长在BCBO 上； (c) 衬底温度 200℃条件下 2 nm厚的p-6P 生长在 BCBO 上；(d)-(f)分别是 30 nm的VOPc 沉积在(a)-(c)之上的 VOPc 的AFM 形貌图 只有在 p-6P岛上才能呈现有序的弱外延生长[11]，在 没有诱导层诱导的区域 VOPc 薄膜生长则会比较杂 乱，整体薄膜的均方根粗糙度高达 8 nm(图2(f))，这 样就会导致 VOPc 半导体层电荷陷阱较多，栅绝缘层 界面所积累的电荷大部分会被陷阱捕获，从而导致了 阈值电压偏高，开态电流较低，迁移率也会较低。相 比来看 160℃和 180℃衬底温度生长的p-6P 单畴尺寸 较大，岛与岛之间间隔较小，这样 VOPc 可得到较大 面积的有序生长，这样有源层的电荷陷阱较少，其阈 值电压也会较低。所以在p-6P 单畴尺寸较大的情况下 对应的 OTFTs 器件的迁移率也是较高的。180℃条件 下p-6P 单畴尺寸是最大的，弱外延生长的VOPc 薄膜  诱导层成膜对弱外延 OTFT 的影响 的均方根粗糙度仅有3 nm是三个条件中最好的，即 薄膜的有序度最高，电荷陷阱最少。而 160℃衬底温 度条件次之，这也与迁移率计算值较吻合。 可见衬底温度对诱导层 p-6P 的形貌起到了很大 的影响，进而对 WEG-OTFTs器件特性起到了决定性 的作用。另外，我们研究发现控制诱导层 p-6P 的厚度 也很关键，诱导层 p-6P 厚度不同也会对 WEG-OTFTs 器件特性产生很大的影响。表 1给出了不同厚度的p- 6P 对应 WEG-OTFTs 器件的迁移率水平，器件结构如 图1，衬底温度 180℃。 如图 4所示，根据诱导层 p-6P 厚度的不同 WEG- OTFTs 器件的迁移率变化可划分为 4个阶段：第一阶 段p-6P 厚度从 0增加到 2 nm，WEG-OTFTs 的迁移率 随着 p-6P 厚度的增加而迅速提升；第二阶段从 2 nm 到4 nm，迁移率随厚度的增加而下降；第三阶段，4 nm 到5 nm，迁移率略有上升；第四阶段，当厚度大于 5 nm 时器件的迁移率随厚度的增加而快速降低。 我们认为 WEG-OTFTs 迁移率随 p-6P 厚度的变化 也是诱导层 p-6P的形貌决定的。第一阶段随着厚度的 增加 p-6P 单畴尺寸会逐渐增加，其上层的 VOPc 生长 在诱导层p-6P 上的面积也会增大，有机薄膜的有序度 会随着 p-6P 厚度的增加而提高，当 p-6P 厚度 2 nm 时 达到最佳效果，岛与岛之间的间隔最小(如图5(b))， 并在 p-6P 厚度2 nm时得到了最高的迁移率。第二阶 段p-6P 分子的第一层达到连续(图5(c))，我们知道 TFT 载流子传输发生在靠近绝缘层的几个纳米内范 围，所以这时候p-6P 不只是承担诱导层的作用，同时 也会承担载流子传输的功能，但是p-6P 本身迁移率较 低仅能达到 10–5 cm2/Vs，p-6P 厚度越大则高迁移率的 Table 1. p-6P thickness and WEG-OTFTs mobility 表1. p-6P不同厚度对应的 WEG-OTFTs 的迁移率 p-6P thickness (nm) Mobility (cm2/Vs) 0 0.0009 1 0.32 2 1.03 3 0.73 4 0.44 5 0.56 6 0.23 7 0.01 Figure 4. Relationship of WEG-OTFT mobility and p-6P thickness 图4. WEG-OTFTs迁移率与 p-6P 厚度的关系曲线 VOPc 层距离绝缘层越远，则 p-6P/VOPc 整体的迁移 率水平也就会越低。但是在第三阶段迁移率又会有一 个回升，从 AFM 形貌来看，如图 5(d)，(e)当p-6P 厚 度达到 5 nm时p-6P 第二层单畴尺寸较大，其直径为 8~10 um 明显大于 4 nm 时单畴尺寸。从前面的叙述我 们知道诱导层的单畴尺寸越大VOPc 的弱外延效果越 好，对应的 WEG-OTFTs 的迁移率也就会越高。但是 到第四阶段再继续增加 p-6P 的厚度，就会导致 p-6P 较多的承担载流子传输的功用，而高有序的 VOPc薄 膜传输载流子的占比越来越小，那么 WEG-OTFTs 器 件迁移率也就越来越低。总之，p-6P厚度 2 nm 为 WEG-OTFTs 最佳的诱导层厚度。 4. 结论 我们研究了 WEG-OTFTs 诱导层生长的形貌对 OTFTs 器件特性的影响。分别采用衬底温度 160℃， 180℃和200℃制备了 WEG-OTFTs，并借助 AFM 形 貌来解释。结果显示衬底温度 180℃时诱导层 p-6P 的 单畴尺寸最大并且岛与岛之间间距较小，得到了最大 的OTFTs 场效应迁移率 1.03 cm2/Vs 和较小的阈值电 压–13 V。另外，本文还研究了诱导层 p-6P的厚度变 化对 WEG-OTFTs 场效应迁移率的影响。研究发现随 着p-6P厚度的增加 OTFTs 的迁移率的变化趋势会经 历四个阶段，其中最佳的器件特性为诱导层p-6P 的厚 度2 nm。结合衬底温度和厚度的变化，WEG-OTFTs 诱导层 p-6P 制备的最佳条件为厚度 2 nm，衬底温度 180℃。 Copyright © 2012 Hanspub 143  诱导层成膜对弱外延 OTFT 的影响 Copyright © 2012 Hanspub 144 Figure 5. AFM morphology of p-6P with substrate temperature 180˚C: (a) 1 nm p-6P on BCBO; (b) 2 nm p-6P on BCBO; (c) 3 nm p-6P on BCBO; (d) 4 nm p-6P on BCBO; (e) 5 nm p-6P on BCBO 图5. 衬底温度 180℃是不同厚度 p-6P 的AFM 形貌：(a) 1 nm的p-6P 沉积在 BCBO上；(b) 2 nm的p-6P 沉积在 BCBO 上；(c) 3 nm的 p-6P 沉积在BCBO上；(d) 4 nm的p-6P 沉积在 BCBO 上；(e) 5 nm的p-6P 沉积在BCBO 上 [8] T. W. Kelly, D. V. Muyres, P. F. Baude, T. P. Smith and T. D. Jones. High performance organic thin film transistors. Materials Research Society Symposium Proceeding, 2003: 169-179. 5. 致谢 感谢上海市科委科研基金(No.10dz1100300)对 本课题的资助。 [9] F. Hong, X. Guo and J. Wang. Preparation of highly oriented copper phthalocyanine film by molecular templating effects for organic field-effect transistor. Organic Electronics, 2009, 10(6): 1097-1101. [10] R. Zeis, T. Siegrist and C. Kloc. Single-crystal field-effect tran- sistors based on copper phthalocyanine. Applied Physivs Letters, 2005, 86(2): Article ID: 022103. 参考文献 (References) [11] H. B. Wang, F. Zhu, J. L. Yang, Y. H. 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