垂直结构金属基极有机晶体管及其在有机发光驱动中的应用

近几十年来，有机半导体材料作为新一代的信息功能材料正以其光电性能优异、生产成本低廉、加工工艺简单、选材范围宽广、机械性能柔软等显著的优点，吸引了世界范围内的目光，成为越来越多研究机构竞相研究和开发的对象，被广泛应用于发光二极管、薄膜晶体管、太阳能电池、存储器等光电子器件中。这些有机半导体器件的应用前景十分广阔，其巨大的商业价值极大地推动了有机半导体器件的发展。 本论文主要制备了N型金属基极有机晶体管，并对其性能进行了研究和分析，并在此基础上，研究了其在有机发光驱动中的应用。 (1) 用N型有机半导体材料Alq3、F16CuPc和BAlq3作发射极层，Au作为基极，N型硅作为收集极层，Al作为发射极接触电极成功地制备出了一系列N型无机/有机杂化金属基极晶体管，这些器件都表现出了良好的共基极增益特性，最大共基极增益达到了0.991，接近理想值1。在此基础上，通过在发射极层和发射极电极之间引入V2O5界面修饰层，还实现了具有良好共发射极特性的N型无机/有机杂化金属基极晶体管。研究发现，V2O5界面修饰层的引入明显地减小了共基极漏电流，使器件的共基极特性得到了进一步的改善，同时也使器件表现了共发射极特性，实现了电流的放大，我们已经把共基极特性的改善和共发射极特性的实现归功于界面修饰层的引入提高了电子注入的结果。 (2) 根据金属与半导体的接触理论,设计制备出了带有Au/Al双层金属基极的N型无机/有机杂化金属基极晶体管。由于Al和Alq3之间好的接触特性和有效的从Al到Alq3的空穴阻挡特性以及Au和Si之间良好的肖特基接触特性，大大降低了器件的漏电流，使器件在低的电压下表现了优异的共基极和共发射极特性，共基极增益达到了近似理想值1，最大共发射机增益达到了4000，克服了单层金属基极晶体管难实现共发射极特性的问题，为实现高性能金属基极晶体管提供了新的思路。 (3) 利用异质结的概念，设计制备出了带有BAlq3/Alq3异质结结构的N型无机/有机杂化金属基极晶体管，该器件同样表现了优异的共基极和共发射极特性。研究发现，同Alq3单发射极层结构的金属基极晶体管相比，BAlq3/Alq3异质结发射极层的使用进一步降低了器件的漏电流，使器件在相同的电压下表现了更高的输出电流和更高的共发射极增益，为进一步实现高性能金属基极晶体管提供了新的方法。 (4) 用有机半导体材料取代无机高掺杂硅作为收集极层，制备出了带有Al单层金属基极和Au/Al双层金属基极的N型垂直结构全有机金属基极晶体管，该器件表现出了良好的共基极特性和共发射极特性。研究表明，全有机金属基极晶体管表现了和无机/有机混合型金属基极晶体管相似的特性，其从本质上说也是一种渗透型金属基极晶体管。 (5) 实现了金属基极有机晶体管驱动有机发光二极管的集成器件。利用金属基极有机晶体管的共发射极电流放大特性，在基极输入电流IB量级比较低（uA）的情况下，得到了较大量级（mA）的输出电流IC，从而实现了对白光有机发光二极管的驱动，在基极输入电流IB为1×10-5A时有机发光二极管的亮度达到了1279 cd/m2。