용액 처리된 C8-BTBT 박막 트랜지스터의 전기적 성능에 대한 주변 가스의 영향

결과 및 토론

OTFT 장치의 단면 구조는 그림 1a에 개략적으로 나와 있습니다. 아래에서 위로, 이것은 고농도로 도핑된 Si 기판, 50 nm의 실리콘 산화물, 45 nm의 C8-BTBT 필름 및 Au(40 nm)/MoO₃로 구성됩니다. (5 nm) 전극. 금/무₃ 소스/드레인 전극은 Au 전극과 C8-BTBT 사이의 접촉 장벽을 줄이기 위해 사용되었으며, 이는 전하 주입 효율을 높이고 고이동성 장치를 생산하는 데 도움이 될 수 있습니다[10]. 그림 1b는 C8-BTBT, MoO₃의 분자 구조를 보여줍니다. 및 PMMA. 우리 작업에서 혼합 솔루션을 만들기 위해 PMMA가 C8-BTBT에 추가되었다는 점에 유의해야 합니다. 고분자를 저분자 유기 반도체에 혼합하는 것은 유기 반도체의 전기적 성능을 향상시키는 일반적인 방법입니다. 매끄럽고 연속적인 반도체막을 형성하는데 도움을 줍니다. 또한, 질량의 차이는 수직 상 분리를 유도하여 반도체의 표면 트랩 수를 감소시킬 것으로 예상됩니다[19]. C8-BTBT 박막의 AFM 표면 형태 이미지는 그림 1c에 나와 있습니다. 그것은 큰 결정립 크기, 양호한 표면 연속성 및 매끄러운 표면 형태를 나타냅니다(RMS 값 2.081 nm). 그림 1d는 HV, 질소, 산소 및 공기에 노출된 샘플에 사용된 테스트 절차의 개략도를 보여줍니다. 각 주변 가스에 대해 2 시간 노출 후 70개의 장치가 측정되었습니다.

(온라인 색상) (a ) 장치 구조의 개략도. (b ) 실험에 사용된 C8-BTBT, 산화몰리브덴, PMMA의 분자구조. (ㄷ ) 2.08 nm의 작은 RMS 값을 나타내는 C8-BTBT 필름의 AFM 표면 형태 이미지. (d ) 각 장치 유형(고진공, 질소 분위기, 산소 분위기 및 공기 분위기)의 70 단위의 전기적 성능 특성을 측정하는 데 사용되는 테스트 절차

다양한 주변 가스가 장치의 전기적 성능에 미치는 영향을 명확히 하기 위해 이 네 가지 장치 유형의 전달 특성을 비교했습니다. 그림 2a 및 2b는 일반적인 드레인 전류-게이트 전압(I _D -V _G ) 단채널(L)의 곡선 =50 μm) 및 긴 채널(L =350 μm) 장치. 모든 장치는 1200 μm의 동일한 채널 폭을 가지며 동일한 - 40 V 드레인 전압을 사용하여 측정되었습니다. 가스 노출이나 채널 길이에 관계없이 중요한 히스테리시스 루프가 관찰되지 않습니다. 오프 상태 드레인 전류의 명백한 감소(I _꺼짐 ) 및 온 상태 드레인 전류의 증가(I _켜기 ) 공기에 노출된 장치에 대해 관찰됩니다. 온/오프 드레인 전류 비율은 10 ⁷ 만큼 높습니다. , HV 장치의 경우 O₂ 장치 및 N₂ 기기는 10 ⁶ 입니다. . 또한, 공기 장치는 다른 장치에 비해 거의 2배 높은 캐리어 이동성과 V _TH 5~8 V 더 낮습니다. 그림 2a 및 2b에 표시된 결과는 2 시간 동안 공기에 노출된 장치가 다른 주변 가스에 노출된 장치보다 더 나은 전기적 특성을 나타냄을 보여줍니다. 일반적인 전송(V _D =− 40 V) 채널 길이가 350 μm인 공기 장치의 출력 특성은 각각 그림 2c와 2d에 나와 있습니다. 이 그림은 솔루션 처리된 C8-BTBT 트랜지스터의 뛰어난 전기적 성능 특성을 보여줍니다. 포화 상태의 나 _D -V _G 곡선, 큰 I _켜기 /나 _꺼짐 10개 중 ⁷ , 8.07 cm ² 의 높은 캐리어 이동성 V ^-1 s ^-1 관찰된다. 그림 2c에 표시된 작은 히스테리시스 루프는 C8-BTBT와 SiO₂ 사이에 불완전한 인터페이스가 있음을 나타냅니다. . 비선형 나 _D -V _D 그림 2d에 표시된 낮은 드레인 전압에서의 곡선은 MoO₃를 사용함에도 불구하고 접점 인터페이스의 전위 장벽이 여전히 옴 전도에 대해 충분히 낮지 않다는 것을 나타냅니다. S/D 전극과 반도체 사이의 계면 장벽을 줄이기 위한 층. 공기 장치의 전기적 성능은 향후 인터페이스 최적화를 통해 더욱 향상될 수 있습니다.

(Color online) 다양한 환경 조건에 노출된 후 트랜지스터의 일반적인 전달 특성:50 μm(a ) 및 350 μm(b ) 채널 길이. 일반적인 전송 특성(c ) 및 출력 특성(d ) 8.07 cm ² 의 이동성을 가진 기기 (V s) ⁻¹ , 나 _켜기 /나 _꺼짐 비율 10 ⁷ 및 350μm 길이의 채널

신뢰할 수 있고 통계적인 데이터를 얻기 위해 총 280개의 장치(각 환경 조건에 대해 70개의 장치)를 측정했습니다. 캐리어 이동도 및 임계 전압 실험 결과를 요약하고 그림 3a 및 3b에 히스토그램으로 표시합니다. 또한 다양한 주변 가스에 노출된 장치의 평균 캐리어 이동도, 최고 캐리어 이동도 및 평균 임계 전압이 표 1에 나와 있습니다. 최고 평균 캐리어 이동도(4.82 cm ² V ^-1 s ^-1 ) 및 최저 임계 전압(− 20.16 V)은 공기에 노출된 장치에서 관찰됩니다. 따라서 공기에 노출된 장치는 테스트한 장치 유형 중 최고의 전기적 성능을 나타냅니다. HV 장치, N₂ 장치 및 O₂ 장치 히스토그램은 평균 캐리어 이동도, 최고 캐리어 이동도 및 임계 전압에서 약간의 차이만 나타냅니다. 공기는 질소(78%), 산소(21%), 수분 등으로 구성되어 있는 것으로 알려져 있다. HV, N₂ , 및 O₂ 장치는 유사한 전기적 특성을 나타내어 N₂ 및 O₂ HV 장치에 비해 상당한 성능 차이를 생성하지 않습니다. 습기가 공기 장치의 전기적 성능을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다고 가정할 수 있습니다. 이 실험 동안의 상대 습도 범위는 40-59%였습니다. 결과적으로 H₂ 공중에서 O는 기기 성능에 영향을 미칩니다.

(Color online) 이동통신사의 통계 히스토그램(a ) 및 임계 전압(b ) 다양한 테스트 가스에 노출된 장치에서 관찰되었습니다. ㄷ 선형 피팅이 R인 전송선 모델 플롯 _총계 와 접촉 저항에 대한 환경 조건의 영향(d ), 평균 이동성(e ) 및 평균 임계 전압(f )

이러한 C8-BTBT 기반 트랜지스터의 전기적 특성의 가스 노출 기반 변화를 이해하기 위해 I _D -V _G 채널 길이가 50~350 μm인 장치의 곡선. 금속/반도체 접촉 저항(R _C ) 네 가지 장치 유형 모두에 대해 조사되었습니다. R을(를) 수행했습니다. _C 다음 선형 체제 방정식(1)을 기반으로 하는 전송 라인 방법을 사용한 추출:[20].

그림 3c는 총 저항(R _총계 ) 채널 길이의 함수로 다양한 환경 조건에 노출된 장치. R _C 값은 y에서 추출됩니다. - 피팅 라인을 가로채고 노출 가스에 의해 플롯됩니다. R _C 값은 그림 3c에 표시된 결과를 기반으로 그림 3d에서 비교됩니다. HV, N₂ 사이의 작은 차이만 있음 , 및 O₂ 장치가 기록되어 있습니다. 그러나 공기 장치는 R의 상당한 감소를 나타냅니다. _C . 평균 캐리어 이동도와 평균 임계 전압은 각각 그림 3e와 3f에 요약되어 있습니다. 공기 장치는 해당 장치보다 훨씬 더 높은 캐리어 이동성과 더 낮은 임계 전압을 나타냅니다. R _C 4가지 장치 유형의 값, 평균 및 최고 캐리어 이동도, 임계 전압이 표 1에 요약되어 있습니다. 그림 3d–f 및 표 1에 표시된 결과를 기반으로 공기 장치가 나타내는 개선된 전기적 특성을 결론지을 수 있습니다. C8-BTBT 반도체와 소스/드레인 전극 사이의 접촉 저항 감소와 밀접한 관련이 있습니다. 또한 N₂ 및 O₂ 장치의 전기적 특성은 서로 또는 HV 장치의 특성에서 크게 벗어나지 않습니다. 이것은 감소된 R _C 캐리어 이동성을 증가시키고 임계 전압을 감소시키는 값은 H₂로 인해 발생합니다. N₂가 아닌 O 또는 O₂ 농도. 이 상호작용의 메커니즘은 명확하지 않지만 H₂의 히드로늄 및 히드록실 음이온이 O는 C8-BTBT 반도체의 트랩 및 결함을 보호할 수 있습니다. 우리의 현재 결과는 접촉 저항을 줄이고 전반적인 전기 성능을 향상시키는 데 있어 공기의 역할에 대한 추가 통찰력을 제공합니다.

장치 전기적 성능의 차이를 유발하는 메커니즘을 더 자세히 이해하기 위해 다양한 환경 조건에 노출된 C8-BTBT 필름의 라만 스펙트럼 측정을 수행했습니다. 그림 4a는 HV와 공기에 노출된 C8-BTBT 필름의 라만 스펙트럼을 비교합니다. 1300 cm ⁻¹ 만 –1600 cm ⁻¹ 스펙트럼 범위는 이러한 피크가 일반적으로 C8-BTBT 분자와 연관되어 있고 모든 전하 민감 밴드가 이 영역에 있기 때문에 표시됩니다. 일반적으로 C8-BTBT 분자는 장축(c -축) SiO₂를 따른 방향 /Si 기판. BTBT 핵심 부품의 헤링본 배열이 면내 방향으로 나타납니다[14]. 티오펜 피크는 1314 cm ⁻¹ 에 있습니다. 및 1465 cm ⁻¹ , C–H 평면 내 피크는 1547 cm ⁻¹ 에서 나타납니다. [6, 21]. HV, O₂에 노출된 C8-BTBT 샘플의 라만 스펙트럼 , 및 N₂ 유의미한 차이를 나타내지 않습니다. 샘플이 일정 시간 동안 공기에 노출되면 1547 cm ⁻¹ 에서 Davydov 분할이 나타납니다. 물의 하이드록실 음이온과 C-H 그룹의 수소 사이의 상호 작용 때문입니다. [22] C8-BTBT 분자의 적층으로 인한 C-H 결합은 일반적으로 표면에 매달려 있습니다 [14]. 따라서 공기 중의 수분과 쉽게 상호 작용하고 향상된 π-π 및 반 데르 발스 상호 작용을 통해 캐리어 이동성을 증가시킬 수 있습니다[5, 9]. 이 결과는 하이드록실 음이온이 C8-BTBT 필름에서 보호막을 가둔다는 우리의 이전 가정에 대한 추가 지원을 제공합니다.

(온라인 색상) (a ) 라만 스펙트럼(λ _예외 =633 nm) HV 및 공기 조건에서 C8-BTBT 박막. 삽입은 1542에서 1554 cm ⁻¹ 사이의 영역 확대를 보여줍니다. . (b ) MoO_{x에서 작업 기능 변경의 개략도} HV- 및 공기 장치에서 S/D 전극에서 C8-BTBT로의 전하 주입과 관련된 장벽 높이 감소

Irfan et al. 보고된 [23], 일 함수(W _F ) 열적으로 증발된 5.5 nm MoO_x 6.82 eV입니다. 그러나 이것은 1 시간의 공기 노출 후에 1.18에서 5.64 eV로 감소합니다. W 감소 _F 공기 노출 시 필름 표면의 수분 흡착으로 인한 것일 수 있습니다. Irfan et al.이 보여준 결과를 기반으로 C8-BTBT 접촉 저항과 전기적 성능에 대한 공기 노출의 영향을 설명하는 모델을 제안했습니다(그림 4b)[9, 19, 23]. 금속과 반도체 사이의 접촉 장벽의 높이를 낮추면 캐리어 주입 효율이 향상되고 접촉 저항이 감소하며 캐리어 이동도가 증가한다고 가정합니다. R의 또 다른 가능한 메커니즘 _C 감소는 C8-BTBT와 Au/MoO₃ 사이의 인터페이스에서 트랩의 패시베이션입니다. 전극. Wang et al.에 따르면 금속/반도체 계면 트랩 밀도는 계면 접촉 저항에 상당한 영향을 미칩니다[24]. 현재 작업에서 물의 하이드로늄은 계면 트랩을 부동태화하여 R을 생성합니다. _C 감소.

마지막으로 C8-BTBT OTFT의 공기 안정성을 조사했습니다. 최대 9120 분(~ 1 주) 동안 공기에 노출된 C8-BTBT 장치의 전기적 특성을 측정했습니다. 그림 5a는 I를 비교합니다. _D -V _G 공기 노출 시간이 0 min, 2 h 및 9120 min인 장치의 특성. 캐리어 이동도는 그림 5b에서 공기 노출 기간의 함수로 표시됩니다. 공기에 노출되지 않은 기기의 캐리어 이동도는 1.97 cm ² 입니다. V ^-1 s ^-1 . 이동성은 이 지속 시간이 4 h에 도달할 때까지 공기 노출 지속 시간과 함께 증가합니다. 최고의 캐리어 이동성(3.08 cm ² V ^-1 s ^-1 )는 2~4 h의 공기 노출 시간 후에 달성됩니다. 캐리어 이동성을 추가로 모니터링하면 추가 공기 노출에 따라 점차적으로 감소하는 것으로 나타났습니다. 캐리어 이동도가 1.61 cm ² 로 감소합니다. V ^-1 s ^-1 장치가 9120분(약 1 주) 동안 공기에 노출된 후. 이러한 캐리어 이동도 열화는 아래의 Eq.와 같이 수분에 의해 채널이 쉽게 산화되기 때문에 발생할 수 있습니다. (2) [25]. 이 방정식에서 OSC와 OSC+는 각각 유기 반도체와 분자 양이온을 나타냅니다.

(온라인 색상) (a ) 전형적인 나 _d -V _g HV 장치, 2시간 공기 장치 및 9120분 공기 장치의 특성; (b ) 공기 노출 시간의 함수로서의 캐리어 이동성

일정 기간의 공기 노출 후, 수분 흡착은 HOMO 위에 비어 있는 상태를 유도하고 깊은 홀 트랩을 생성하여 채널에서 캐리어 수송을 크게 저하시키고 접촉 저항을 증가시킵니다[24]. Gomes et al. 및 Peter et al. SiO₂ 표면의 물이 p형 OTFT에서 중요한 역할을 합니다. Si–O–H ↔ Si–O ⁻ 로 인해 + H ⁺ 반응에서 상당한 양의 하이드로늄이 흡수된 수층에 존재합니다[26]. 또한 반도체의 이동 전하가 SiO₂에서 부동 전하로 천천히 대체됩니다. 벌크 SiO₂로 가역적으로 이동할 수 있는 표면 . 따라서 장기간 공기에 노출되고 수분의 지속적인 흡수 및 상호 작용은 트랜지스터 불안정성을 증가시키고 [27] 캐리어 이동성을 감소시킵니다.

다양한 가스 환경에 노출된 장치에 대한 비교 연구를 사용하여 공기 중의 수분이 C8-BTBT-OTFT 장치의 전기적 성능 특성에 상당한 영향을 미친다는 것을 입증했습니다. 또한 적절한 공기 노출 시간은 장치의 전기적 성능을 향상시킬 수 있지만 긴 노출 시간은 성능을 저하시킨다는 것을 발견했습니다. 유기 장치를 공기에 노출시키는 것은 전기적 특성에 해롭다고 널리 알려져 있습니다. 본 연구는 또한 C8-BTBT 반도체 트랩을 부동태화하고 R을 낮추는 데 있어 수분의 긍정적인 역할을 보여줍니다. _C 가치. 또한 C8-BTBT OTFT 장치 성능을 개선하고 공기 안정성에 대한 지식을 향상시킬 수 있는 아이디어에 대한 유용한 통찰력을 제공합니다.