（光学工程专业论文）静电感应有机发光晶体管的研究.pdf

中文摘要 摘要：有机发光晶体管是将控制部分的o t f t 和发光部分的o l e d 集成到一个器 件结构中，利用栅压控制电流，进而控制发光。不仅提高了器件的集成度，简化 了制作过程，更提高了能量的利用效率。 本文对静电感应有机发光管的光电特性及工作原理等做了系统的研究。 首先，制作了以t p d 为空穴传输层的静电感应发光管 i t o t p d ( 5 0 n m ) a l ( 3 0 n m ) t p d ( 3 0 n m ) a l q 3 ( 5 5 n m ) a 1 。实验结果表明，栅极金属铝 与t p d 薄膜形成了良好的肖特基接触，器件的发光为a l q 3 的发光，峰值位于5 3 0 1 1 1 1 i 左右；栅压增加时，器件的发光强度随着源漏电流的减小而减弱，表现为耗尽型 特性。 其次，我们以n p b 为空穴传输层制作了静电感应发光管 i t o n p b ( 3 0 n m ) a l ( 3 0 n m ) n p b ( 2 0 n m ) a l q a ( 5 5 n m ) a 1 。发现器件的发光强度和源漏 电流随着栅压的增加而增大，表现为增强型特性。通过改变n p b 层厚度、栅极形 状和厚度，得到的最优化的器件参数为：第一层n p b 层厚4 0n m ，梳状栅极厚度 3 0n n l 。为了研究栅极载流子的注入情况，我们分别在栅极两侧加入空穴阻挡层 b c p ，制作了三组静电感应发光管器件i t o n p b ( 4 0 n m ) b c p ( 5 n m ) a i ( 3 0 n m ) n p b ( 2 0 n m ) a 1 q 3 ( 5 5 n n l ) a 1 、i t o n p b ( 4 0 n m ) a l ( 3 0 n m ) b c p ( 5 n m ) n p b ( 2 0 n m ) a l q 3 ( 5 5 n m ) | 心熟i t o n p b ( 4 0 n m ) b c p ( 5 n m ) a i ( 3 0 n m ) b c p ( 5 n m ) n p b ( 2 0 n m ) a l q 3 ( 5 5 n m ) a l ， 实验证明了栅极注入的空穴对沟道中电流的贡献。可知，利用较薄的b c p 层( 5 r i m ) 并不能改善载流子的平衡以便提高器件的发光效率。 最后，为了研究界面能级对器件性能的影响和改善栅压对器件发光的控制能 力，将发光效率更高的d c j t b 掺杂在a l q 3 中( 掺杂浓度2 w t ) 作为发光层制作 了发光管i t o n p b ( 4 0 n m ) a i ( 3 0 n m ) n p b ( 2 0 n m ) a l q 3 ：d c j t b ( 2 w t ) ( 5 5 n m ) a l ，发 现漏电流还是很大。为此，我们在漏极前加入lr i m 厚的l i f 薄层制作了器件 i t o n p b ( 4 0 n m ) a i ( 3 0 n m ) n p b ( 2 0 n m ) a l q 3 ：d c j t b ( 2 w t ) ( 5 5 n m ) l i f ( 1 n m ) a 1 ，发 现栅极对发光的控制能力明显增强，且发光强度提高了三个数量级，得到了性能 较好的静电感应发光管。 关键词：静电感应晶体管；发光晶体管；肖特基势垒；载流子传输和平衡 分类号：0 4 7 ：0 4 8 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：o r g a n i cl i g h t - e m i t t i n gt r a n s i s t o r ( o l e t ) i n t e g r a t e st h ec o n t r o l l i n gp a r t ( i e o t f t ) a n dt h el i g h t e m i t t i n gp a r t ( i e o l e d ) i n t oo n ed e v i c e ，u s i n gg a t ev o l t a g e t oc o n t r o lc u r r e n t , a n dt h e r e b yt oc o n t r o lt h el i g h te m i s s i o n i nt h i sw a y , o l e tc a nn o t o n l yi m p r o v et h ed e v i c ei n t e g r a t i o n ，s i m p l i f y i n gt h ef a b r i c a t i o np r o c e s s ，b u ta l s o i m p r o v eu s ee f f i c i e n c yo fe n e r g y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h eo p t o e l e c t r o n i cp r o p e r t i e sa n dt h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h e s t a t i ci n d u c t i o n - t y p eo l e t ( s i t - o l e t ) w e r es y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e d f i r s t l y , as i t o o l e ti t o t p d ( 5 0n m ) a l ( 3 0n m ) t p d ( 3 0n m ) a l q 3 ( 5 5n m ) a li n w h i c ht p da sh o l e t r a n s p o r t i n gl a y e rw a sm a d e o u re x p e r i m e n t a ld a t as h o w e dt h a ti t i sag o o ds c h o t t k yb a r r i e rb e t w e e ng a t ea 1e l e c t r o d ea n dt p df i l m ，a n de m i s s i o nf r o m a 1 q 3d o m i n a t e st h es p e c t r ao ft h es i t - o l e t , p e a k i n ga ta b o u t5 3 0 n m t h ed e v i c e s b e h a v i o ri nd e p l e t i o nm o d ew i t hi n c r e a s i n ga p p l i e dg a t ev o l t a g e s ，a n di t se m i s s i o n i n t e n s i t yd e c r e a s e sa ss o u r c e d r a i nc u r r e n td e c r e a s e s s e c o n d l y , as i t - o l e ti t o n p b ( 3 0 n m ) a l ( 3 0 n m ) n p b ( 2 0 n m ) a l q a ( 5 5 n m ) a ii n w h i c hn p ba st h eh o l e - t r a n s p o r t i n gl a y e rw a sf a b r i c a t e d w ef o u n dt h a tt h es i t - o l e t b e h a v i o r si na l le n h a n c e dm o d e ，b o t ht h ee m i s s i o ni n t e n s i t yo ft h ed e v i c ea n dt h e s o u r c e - d r a i nc u r r e n ti n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gt h eg a t ev o l t a g e s a f t e ra n a l y z i n gt h e s i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo ft h et h i c k n e s so ft h en p bl a y e r , a sw e l la st h et h i c k n e s sa n d s h a p eo ft h eg a t e ，o nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e v i c e ，o p t i m i z e dd e v i c ep a r a m e t e r sw e r e o b t a i n e d ：at h i c k n e s so f4 0 n mf o rt h ef i r s tn p b l a y e ra n d3 0 n mf o rt h ec o m b - s h a p eg a t e l a y e r i no r d e rt os t u d yt h ec a l t i e r si n j e c t i o nf r o mg a t e , w ei n s e r t e dh o l e t r a n s p o r t i n g l a y e rb c pa t b o t hs i d e so fg a t e l a y e r a n dm a d et h r e ek i n d so fd e v i c e s i t o n p b ( 4 0 n m ) b c p ( 5 n m ) a i ( 3 0 n m ) n p b ( 2 0 n m ) a l q 3 ( 5 5 n m ) a l ，i t o n p b ( 4 0 n m ) a l ( 3 0 n m ) b c p ( 5 n m ) n p b ( 2 0 n m ) a l q 3 ( 5 5 n m ) a 1 a n d i t o n p b ( 4 0 n m ) b c p ( 5 n m ) a l ( 3 0 n m ) b c p ( 5 n m ) n p b ( 2 0 n m ) a l q 3 ( 5 5 n m ) a 1 o u re x p e r i m e n t a ld a t ac o n f i r m e dt h e c o n t r i b u t i o no fh o l e si n j e c t i o nf r o mg a t et ot h ec h a n n e lc u r r e n t o b v i o u s l y , t h eb a l a n c e o fc h a r g ec a r r i e r sc a n n o tb ei m p r o v e db yi n s e t t i n gt h i nb c pl a y e r ( 5 n m ) t oi m p r o v e l u m i n e s c e n te f f i c i e n c yo ft h e s ed e v i c e s a tl a s t i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fi n t e r f a c el e v e l so nd e v i c ep e r f o r m a n c e a n dt oi m p r o v et h ec o n t r o l l i n ga b i l i t yo fa p p l i e dg a t ev o l t a g e s ，w ef a b r i c a t e dd e v i c e i t o n p b ( 4 0 n m ) a l ( 3 0 n m ) n p b ( 2 0 n m ) a l q 3 ：d c j t b ( 2 w t ) ( 5 5 n m ) a 1 i nw h i c h a l q 3 ：d c j t b ( 2 w t ) w i t hh i g h e rl u m i n e s c e n te f f i c i e n c y 勰a c t i v e e m i s s i v el a y e r , a n d w ef o u n dt h a tt h ed r a i nc u r r e n ti ss t i l lv e r yl a r g e t h e r e f o r e ，b yi n s e t t i n ga n o t h e rln m l i f l a y e r b e f o r ea 1d r a i ne l e c t r o d e ，w em a d ea n o t h e rs i t - o l e td e v i c e i t o n p b ( 4 0 n m ) a i ( 3 0 n m ) n p b ( 2 0 n m ) a l q 3 ：d c j t b ( 2 w t ) ( 5 5 u m ) l i f ( 1 r i m ) a 1 a n d f o u n dt h a tt h ec o n t r o l l i n ga b i l i t yo fg a t ee l e c t r o d eo nt h ee m i s s i o nw a ss i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e d ，a n dt h ed e v i c ee m i s s i o ni n t e n s i t yc a nb ee n h a n c e db yt h r e eo r d e r s o f m a g n i t u d e ，i m p l y i n gas i t - o l e t w i t hh i l g hp r o p e r t i e sw a so b t a i n e d k e y w o r d s ：s t a t i ci n d u c t i o n t y p et r a n s i s t o r ；l i g h t - e m i t t i n gt r a n s i s t o r ；s c h o t t k y b a r r i e r ；c h a r g ec a r r i e r st r a n s p o r ta n db a l a n c e c l a s sn o ：0 4 7 ：0 4 8 2 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 日 签字日期：年月日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 5 5 致谢 本论文的工作是在我的导师娄志东副教授的悉心指导下完成的，娄志东副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。娄老师在生活上 和学习上都是我的良师益友，在此衷心感谢两年来娄志东老师对我的关心和指导。 我更不能忘记杨盛谊副教授对我的帮助和教导，在论文的研究过程中，杨盛 谊副教授以他厚实的理论功底和开阔的理论研究视野，给我的工作极大的帮助和 指导。杨盛谊副教授在科研和生活上严谨的态度，更是我学习的榜样，帮助我找 到了自己的许多不足，使我受益终身。感谢徐叙珞院士为我们开创的良好的工作 环境和学习氛围，感谢北京交通大学光电子技术研究所及各位老师给予的关心和 帮助。 在实验室工作及撰写论文期间，邓召儒师兄、袁广才博士、齐洁茹、孟令川、 孔超、邬洋等同学给予了热情的帮助，与他们有益的探讨，更使我收获很大，在 此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业，是 我坚实的后盾。 第1 章引言 有机发光二极管( o r g a n i cl i g h t e m i t t i n gd i o d e s ，o l e d s ) 器件具有厚度薄、功 耗低、亮度高和色彩鲜艳等优点，可用于全彩色平板显示。2 0 0 3 年，日本的t s u j i m u r a 等人【l 】制造出利用非晶薄膜晶体管驱动的2 0 英寸全色有源矩阵o l e d s 。随着o l e d s 的发展，显示技术逐渐由平板显示向大面积的全有机有源矩阵柔性显示方向发展。 为实现这一目标，有机薄膜晶体管( o r g a n i ct h i nf i l mt r a n s i s t o r s o t f t s ) 顺应要求 而产生【2 j 。o t f t s 具有很多优点：首先，相对于传统的硅技术来说，o t f t s 的制作 工艺简单，不需要高温、高真空和复杂的平版印刷技术；其次，o t f t s 具有机械柔 韧性，可与塑料衬底兼容，可应用在可折叠的产品中。 将o t f t 与o l e d 集合在一起，利用o t f t 来驱动o l e d 的器件称为有机发光晶 体管( o r g a n i el i g h t e m i t t i n gt r a n s i s t o r ，o l e t ) ，简称有机发光管。最早的o l e t 是 在同一个衬底上分别制作o t f t 和o l e d ，直接利用o t f t 来驱动o l e d ，通过晶体 管的栅压控带j j o l e d 的发光【3 】。但由于这样的有机集成器件结构复杂，造成制作困 难、制作成本高等诸多缺点。于是，研究人员将o t f t 和o l e d 结合到一个器件结 构中，利用栅压控制电流，进而控制发光。将发光和控制两部分集成到一个器件 中，不仅提高了器件的集成度，简化了制作过程，更提高了能量的利用效率。与 普通的o l e d 相比，基于o t f t 的o l e t 的载流子迁移率较高，可以降低载流子引起 的激子猝灭。从原理上讲，有三个电极的o l e t 能更好地控制电子和空穴的注入， 从而提高器件的发光效率及发光亮度。o l e t 不仅可能取代目前o t f t 驱动的液晶 显示，应用于大面积的有源矩阵柔性显示中，还在集成电路的信号处理等方面有 潜在的应用价值。同时，o l e t 在基础研究方面也有重要意义，可以利用它来研究 有机半导体材料的基本光电特性。 1 1o l e t 的结构和工作原理 由于o l e t 是o l e d 和o t f t 相结合的产物，其理论基础是基于有机材料中 载流子的输运及发光的机理，具体包括载流子的注入、载流子输运、载流子形成 激子、激子的扩散及复合发光。简单地说，就是在有机晶体管的基础上，通过增 加有机发光材料或用有机发光材料替换晶体管的有机材料，利用晶体管内的载流 子输运，使载流子在发光材料中相遇形成电子空穴对，从而辐射发光。由于有机 发光管具有有机晶体管的结构和特性，通过控制晶体管的栅压，调节发光材料中 e 塞蛮适厶堂亟堂位论塞互l 言 载流子的数目，可以达到控制器件电流和发光强度的目的。与有机晶体管不同， 有机发光管必须有空穴和电子分别从源极和漏极注入，其工作机理主要有以下三 种：( 1 ) 用p 型材料作为有机层，利用强电场注入电子 5 , 1 7 - 2 0 1 ；( 2 ) 利用有机异质结注 入空穴和电子 7 邶，1 2 8 ，1 5 ，2 2 。2 4 ，2 5 8 】；( 3 ) 利用有机材料本身的双极特性注入及传输空穴和 电子 1 1 a , 2 7 】。其中双极型有机发光管越来越受重视，一是因为它在全有机柔性衬底 显示方面有巨大的应用潜力；二是因为它能够弥补n 型半导体材料因制备困难、 工作条件苛刻以及与金属电极功函数匹配比较差等原因而发展较缓慢的现状。 o l e t 的工作原理与器件结构有关，其载流子输运机制与相应的有机晶体管的 类似，而关键是与器件结构有关的发光机制，有待于更进一步研究。 按照源极和漏极的相对位置，o l e t 分为传统结构( 即源极和漏极与沟道几乎 在同一水平面) 5 - 1 0 , 1 l a , 1 l b , 1 6 - 2 9 和垂直构型( 即源极和漏极与沟道垂直) 1 2 - 1 5 1 两种。 1 2 传统结构o l e t 及其工作原理 传统结构o l e t 是采用传统水平场效应晶体管的结构，选择有机半导体为发 光材料制作的。与传统结构o t f t 类似，传统结构的o l e t 也分为顶接触型【7 , 1 7 a , 2 3 ，2 5 】 和底接触型 5 - 6 , 9 , 1 0 , 1 l b , 1 7 b , 1 8 , 1 9 , 2 4 ，2 9 1 两种，如图1 1 所示。两种结构都是在衬底上分别 制作栅极、绝缘层、有机半导体层。不同的是顶接触型器件的源极和漏极在有机 层顶部，而底接触型器件的源极和漏极在有机层的底部。加栅压之后，载流子在 绝缘层靠近栅极一侧聚集，形成沟道。沟道宽度随着栅压的增加而增加，从而提 高器件的工作电流。顶接触型器件的迁移率和开关电流均比底接触型器件高出三 个数量级【4 j ，这是由于电极位置不同和载流子注入限制不同造成的。目前，研究人 员多采用底接触型的器件结构。 1 2 1 单极型场效应发光管 单极型场效应发光管主要以p 型5 】为主。例如，以p 型并四苯作为半导体材料 的底接触型场效应发光管【5 d 】的电致发光，说明电子确实注入到了有机层中。对其 发光机理解释如下：在加负栅压时，空穴聚集在有机层靠近绝缘层的一侧并形成 沟道，源极注入的空穴沿沟道向漏极流动，在漏极前堆积形成强电场。在强电场 的作用下，电子越过势垒注入到有机层中，与空穴相遇而发光。发光区域仅仅存 在于与漏极相接触的有机层中。最近，1 1 型单极器件的研究也有了进展，y a m a s h i t a 等人【6 】利用n 型杂环系统衍生物材料制作了底接触型的o l e t 。 1 2 2半导体异质结双极型场效应发光管 通过半导体异质结注入空穴和电子的场效应发光管主要有两种结构：双层异 质结和体异质结【j ”。双层异质结结构即分别蒸镀一层n 型和一层p 型材料，从而形 成半导体异质结器件。由源极和漏极通过异质结注入空穴和电子，在异质结界面 上形成激子复合而发光。r o s t 等人【8 】用p e n t a c e n e 和p t c d i c 1 3 h 2 7 的双层异质结 制作了传统结构场效应发光管器件。朱道本等人【9 】在蒸镀有机层的过程中，使用倾 斜衬底的手段，用p e n t a c e n e 和a l q 3 制作了水平方向( 沟道方向) 的异质结双极型 场效应发光管。该器件可在空气中工作，观察到了a l q 3 的发光。体异质结结构是 同时混合蒸镀n 型和p 型材料而制作的器件，其异质结在有机层内呈三维分布。 m e i j e r 等人【1 0 】利用p c b m 较高的l u m o 能级和o c l c l o - p p v 较低的h o m o 能级， 使电子和空穴分别注入到两种材料的l u m o 和h o m o 能级上，进而复合发光。 与单极p 型场效应发光管相比，异质结场效应发光管不仅能注入空穴，还可 以注入电子，且可以利用栅压在源漏极之间调整载流子复合区域的位置，平衡电 子和空穴的注入，从而提高器件的量子效率。 1 2 3双极型场效应发光管 双极型场效应发光管是利用既是n 型又是p 型的双极型材料制作的。在一定 栅压下工作时，在源漏两个电极分别聚集了电子和空穴，通过调节源漏间的电压 使空穴和电子复合而发光【1 1 4 j 1 1 , 1 。此外，多出的栅极可以调节o l e t 中激子的复合 区域( 即发光区) 的位置【l l 剖。但由于陷阱杂质的存在，在一种有机材料中实现双 极输运并发出可见光是非常困难的。通过改变源极和漏极的金属材料，利用金属 功函数的不同，分别注入电子和空穴，可以更好地实现载流子的注入。s w e n s e n 等 人【l h 】利用金电极作为源极、铝电极作为漏极及聚合物s u p e ry e l l o w 作为半导体材 料，制作了场效应发光管器件。这种器件的缺点是需要分别制作源极和漏极，操 作比较复杂，对实验条件要求较高。 1 3 垂直构型o l e t 及工作原理 由于传统结构有机场效应晶体管受沟道长度的限制，且大部分有机材料只具 有单极特性，载流子迁移率低，使得基于该结构的场效应发光管器件的速度低、 工作电压较高、输出电流低、发光效率低，应用受到限制。垂直构型的o l e t ( v e r t i c a lo l e t , v o l e t ) 是以垂直结构的晶体管( v e r t i c a lt r a n s i s t o r ) 为基础，选 择合适的有机发光材料制作的发光器件。由于具有沟道短、栅压低和有效工作面 积大等优点，垂直构型o l e t 具有较好的工作性能，如工作电压低、速度快、发 光效率高、制作简单等，更适合于柔性显示。最近发展起来的垂直构型o l e t 主 要有两种：静电感应型o l e t ( s t a t i ci n d u c t i o n t y p eo l e t ，或s m o l e t ) 和垂直 场效应o l e t ( v e r t i c a lo r g a n i cl i g h t - e m i t t i n g ( f i e l d - e f f e c t ) t r a n s i s t o r ，v o l e f e t 或 v o l e t ) 。 s 图1 2 静电感应型o l e t 器件结构图 1 3 1静电感应型o l e t 静电感应型o l e t 是以垂直结构的静电感应晶体管为基础，将有机半导体层 替换为半导体异质结而制成。最先制作这种结构器件的是日本学者k u d o 等人【1 2 1 ， 其器件结构如图1 2 所示。网状栅极位于有机层之间；栅极周围的有机层a - n p d 既作为晶体管的介电层，又作为发光二极管的空穴传输层，从而将晶体管与发光 4 j e 立交适态堂亟堂位途塞里j 壹 二极管结合在一个简单结构中。从i t o 源极进入的空穴和从漏极进入的电子，在 a l q 3 层中相遇成为激子并复合发光。通过栅压可以调节有机层中栅极处的沟道宽 度和势垒高度，进而调节通过沟道的载流子数目以控制发光强度。栅极的缝隙宽 窄决定栅压阈值的大小，并影响器件的亮度一漏源电压特性。可以通过非常小的 栅压来控制大的漏电流，且可以通过控制栅压来调节光强，这在很大程度上增加 了它的应用价值。 最近，p a r k 等人 13 】对静电感应型o l e t 的结构进行了改进。将栅极放在器件 阳极和阴极重叠区域之外，避免了阳极和阴极之间的电场的影响。由于栅极和阳 极之间的电场增加了载流子的注入，从而降低了器件的启亮电压，并提高了器件 的发光亮度。 1 3 2垂直构型场效应o l e t 垂直构型场效应o l e t 是以垂直构型场效应晶体管( v e r t i c a lo r g a n i c f i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r ，v o f e t ) 为基础。y y a n g 小组 1 4 】制作了v o l e t ，其结构如 图1 3 所示。该器件采用了发光聚合物材料( l i g h t e m i t t i n gp o l y m e r ，l e p ) 。工作 时空穴和电子在l e p 层中相遇并复合发光。通过栅压可以控制源极和有机层之间 的有效能量势垒，调节注入到有机层中的载流子数目，进而调节器件的工作电流 以达到调节发光强度的目的。该器件制作工艺的关键是制作一层薄、粗糙并部分 氧化的中间源极，其厚度约为2 0n l n 左右。在源极厚度增加之后，器件的晶体管 工作特性消失。 l e p 【t 0 ， 一曲。 l i g h t 图1 - 3v o l e t 器件结构图 j c l m 眦s 目前，对传统结构o l e t 的研究较多，而垂直构型o l e t 的研究刚刚起步。 传统结构o l e t 虽然制作相对简单，但沟道长度相对较长，导致驱动电压高、流 明效率低。垂直构型o l e t 虽然有相对的高电流、高工作速度和低工作电压等优 点，但是中间精细的栅极和源极却增加了制作难度。最近n a k a m u r a 等人【1 5 】报道了 一种新结构的有机场效应发光管，采用m i s ( m e t a l i n s u l a t o r - s e m i c o n d u c t o r ) 结构， 如图1 - 4 所示。m i s o l e t 就是将一个o l e d 放在绝缘层和栅极之上制成的，o l e d 的阴极同时作为晶体管的漏极，通过栅压来改变有机层和绝缘层界面的载流子密 度及控制电流的大小，源电极上的绝缘层可以使空穴通过半导体层，并有效地注 入到发光层中。 i n s u l a t i n gl a y e r ( s i 0 2 ) s o u r e ee l e c t r o d e ( a u ) 隧：型竺燮翻 驷l i 粤i n gl a y e r 一 碧到 【a l q 3 ) 睡妻 ：滔：l j ：= ： 萋潮h o l e t r a n s e o 哇： 浏l a y e r 【a - n f p d ) 嵫 ，1 7 一 g a t ei n s u l a t o rl a y e r g a t ee l e c t r o d e ( i t o ) s u b s t r a t e ( g l a s s ) 图l _ 4m i s o l e t 器件结构图 1 4 用于o l e t 的材料 有机发光晶体管所用的材料包括有机半导体材料、绝缘材料、源漏栅极电极 材料和衬底材料等。 1 4 1有机半导体材料 o l e t 所用的有机半导体材料既要满足o t f t 的要求又要满足o l e d 的要求， 即高载流子迁移率、低本征电导率、高载流子密度、高发光效率和两种载流子的 6 平衡注入。对双极型有机发光管，需要两种载流子的高注入和平衡传输；对半导 体异质结有机发光管，需要金属电极匹配的载流子平衡注入。目前，作为o l e t 核 心的有机半导体材料主要有机小分子化合物和高分子聚合物两大类。 在有机发光晶体管中应用较早的材料是p e n t a c e n e 和q 6 t 。2 0 0 0 年s c h 6 n 等 人【1 6 a 】用由p e n t a c e n e 和a - 6 t 材料制成既可工作于积累型又可工作于耗尽型的 o t f t 器件，用p e n t a c e n e 制成了双极有机场效应晶体管和反相器；同年，他们又 在a 6 t 单晶材料上，首次制成了双极场效应发光管【1 6 b 】。虽然以上论文最后都因为 实验者恶意操作数据而被撤回，可是却带来了实验的新思路，其影响不可忽视。 利用p 型材料制作的传统水平结构的发光管出现得比较早。a h l e s 等人【1 7 a 和 s a k a n o u e 等人 1 7 h i 分别采用旋涂法制作了基于p f 2 6 ( p o l y ( 9 ，9 d i e t h y l h e x y l f l u o r e n e ) ) 和m e h p p v ( p o l y 2 - m e t h o x y - 5 2 - e t h y l h e x y l o x y ) 一l ，4 - p h e n y l e n e v i n y l e n e ) 的传统水 平结构的o l e t ，其中p f 2 6 的器件迁移率达到4 4 xl 矿o m 2 v s ；日本o y a m a d a 等人【1 8 】采用热蒸发t p t p t ( 2 ，4 - b i s ( 4 2 - t h i o p h e n y l ) p h e n y l ) t h i o p h e n e ) $ j j 作了o l e t ， 并研究了沟道长度对器件性能的影响，其外量子效率达到7 1 x l 矿。c i c o i r a 等人 【1 9 】采用真空沉积方法将制备的新材料d t t 7 m e ( 2 ，6 - b i s - ( 5 一h e x y l - 2 ，27 b i t h i o p h e l l 一5 - y 1 ) - 3 ，5 一d i m e t h y l d i t h i e n o 3 ，2 - b ；2 ，3 - d t h i o p h e n e ) 制作的场效应发光管器件的场效应迁移率接近2 x 1 0 - 2c m 2 n s ，“开关电流比接 近1 0 6 。最近，s a n t a t o 等人【珏矧在传统水平结构并四苯的场效应发光管方面取得了 较大进展，得到场效应发光管器件的空穴迁移率为l x l 0 - 2o n 2 n s ，“开关”电流 比为1 0 6 【刘。h e p p 等人【5 d 1 用并四苯制作的场效应发光管空穴迁移率达到5 x l o - 2 e m 2 n s ，源漏电压为6 0v ，栅压为- - 8 0v 时，发光亮度为2 5c d m 2 ，流明效率为 2 5 x l 矿e d a 。s a i t o 等人【2 0 】在硅衬底上以超薄单晶硅为工作层，制作了传统水平 结构场效应发光管，在5v 栅压下即可工作，使o l e t 可与硅技术接轨。 双层半导体异质结有机场效应发光管发展也较快。r o s t 等人【8 】用p e n t a c e n e 作 为空穴传输材料， n ，n - d i t r i d e c y l p e r y l e n e 3 ，4 ，9 ，10 t e t r a c a r b o x y l i c d i i m i d e ( p t c d i c i 3 h 2 7 ，p 1 3 ) 作为电子传输材料，用a u 作为阳极、m g 作为阴极，制作了 双层异质结的场效应发光管，电子迁移率和空穴迁移率分别达到3x1 0 。3c m 2 n s 和 1 1 0 4c m 2 v ，发光可以通过源漏电压和栅源电压控制。d o d a b a l a p u r 等人【2 l 】采用 c 6 0 作为空穴传输材料和a 6 t 作为电子传输材料，制作的双层异质结场效应发光 管的电子迁移率接近5 x l o - 3c m 2 v s 。垂直构型的静电感应发光管主要也是采用双 层异质结结构，主要用a l q 3 作为电子传输层和发光层，z n o 2 2 】或者a n p d t l 2 b 1 5 】 作为空穴传输材料。c a p e l l i 等人【2 3 】用p 型a ，p d i h e x y l q u a t e r t h i o p h e n e ( d h 4 t ) 和n 型p 1 3 制备了双层异质结o l e t 器件，其空穴和电子的迁移率都达到了1 0 - 2 c m 2 n s 。采用新型m i s 结构的o l e t 器件【1 5 】在v d = 1 0v 和v o = 1 0v 时，漏极 7 电流密度为1 3 8m a f c m 2 ，亮度为2 9 0c d m 2 。朱道本等人【9 1 用p e n t a c e n e 和a l q 3 制 作的双层异质结o l e t 器件，“开关 电流比为1 0 3 ，空穴迁移率达到2 1 1 0 - 3 c i q f l 2 n s 。 2 0 0 5 年报道了传统结构的体异质结场效应发光管。o y a m a d a 等人【2 4 】用掺杂 r u b r e n e 的t p p y 制作了传统结构发光管，其外量子效率达到了o 8 。在漏源电压 一1 0 0v 和栅压一1 0 0v 下工作时，亮度达到1 5 0c d m 2 。l o i 等人【2 5 a 】用p 1 3 作为电 子传输材料以及a - q u i n q u e t h i o p h e n e ( a 5 t ) 作为空穴传输材料，制作了传统结构双 极型场效应发光管，器件空穴迁移率为1 0 - 4c m 2 n s ，电子迁移率为1 0 - 3o n 2 v s 。 r o s t 等人【2 5 b 】也利用a 5 t 和p 1 3 ，采用热蒸发法制作了双极型o l e t ，并研究了两 种材料的掺杂比例与器件性能的关系。该器件的空穴和电子迁移率随掺杂比例的 不同而改变，数量级分别为1 0 - 3c m 2 n s 和1 0 - 4c m 2 n s ，并得到a 5 t 与p 1 3 的最佳 混合比为3 ：2 。 z a u m s e i l 等人【n b 】采用双极型材料o c l c l o p p v 制作了传统结构场效应发光管， 空穴和电子迁移率分别达到6 1 0 - 4c m 2 n s 和3 1 0 - 3c r n 2 n s ，并发现随着栅压的 改变，沟道中发光位置发生移动。t 0 k o 等人【2 7 】用双极材料6 兀p 1 2 制作了垂直构 型的场效应发光管，7 0v 电压时，亮度达到7 0c x l m 2 。 f r e i t a g 等人f 2 7 】采用碳纳米管制作了o l e t ，通过调节栅压和漏源电压可以改 变发光位置和波长。此外，还有一些有机材料可能用于o l e t 中。如d c m t 2 9 】是 一种n 型半导体材料，电子迁移率能够达到o 2c m 2 n s ，并在一定温度下具有双极 特性。 1 4 2绝缘材料、电极材料及衬底材料 o l e t 中常用的无机绝缘材料主要有s i 0 2 s a , 5 b - s e , 6 - 1 0 , 1 1 a ，1 7 。1 9 , 2 3 - 2 4 , 2 铡、l i f 1 哪和 a 1 2 0 3 【2 9 】等。其优点是耐高温、化学性质稳定、不易被击穿等，缺点是固相高温和 非柔性加工特点限制了它在晶体管微型化、大面积柔性显示、大规模集成电路和 低成本溶液加工生产中的应用。o l e t 中的有机绝缘体材料有m y l a 河蹦【5 b 】( 一种 塑料) 、丙烯酬2 6 】和p o l y ( m e t h y l m e t h a c r y l a t e ) ( p m m a ) t 2 9 1 等。其优点是与柔性衬底 有良好的相容性，这是保证器件结构稳定的一个重要因素，也是实现柔性全有机 显示的前提；另外，能应用于低成本的低温溶液加工技术中，这是o l e t 商业化 的关键所在。 o l e t 中常用的电极材料有金【5 7 , 9 , 1 0 , 1 7 - 1 9 , 2 2 。2 3 ，2 5 a 2 引、铝和i t o 等【1 2 - 1 5 矧。电极材 料可与有机半导体层界面相互作用，从而影响器件的性能【矧。这就要求电极材料 能与半导体层的能级相匹配，从而使载流子能够顺利地从电极注入到半导体层。 o l e t 作为发光器件，透明电极也是必不可少的，金电极和i t o 电极等都能达到 要求。 衬底材料有玻璃 1 2 - 1 5 2 2 , 2 r l 、n 型硅 5 - 1 0 , 1 i & 1 7 - 1 9 2 3 , 2 4 , 2 5 a 2 8 1 及塑料【5 b l 等。例如， s a n t a t o 等人【瑚在塑料衬底上制作了o l e t 器件，空穴迁移率达5 1 0 4c m 2 n s ，对 全有机柔性显示做了初步的探索。 1 5o l e t 的研究趋势 基于有机晶体管与有机发光二极管的o l e t 器件，具有集成度高、柔韧性好、 功耗低、亮度高等特点。与利用晶体管驱动发光二极管的传统发光器件相比，o l e t 的制作更简单，反应速度更快，已成为国际上显示领域研究的热点之一。o l e t 的 发展属于起步阶段，其理论还需要进一步完善，性能还需要进一步提高。 对有机发光管来说，输出特性和转移特性用来表征其晶体管性能，而发光特 性则用来表征其二极管发光性能。目前，有机发光晶体管所面临的主要问题是有 机材料的迁移率比较低、双极型材料太少、载流子注入不平衡等，使得制成的器 件晶体管性能和发光性能达不到应用的要求。解决问题的关键就在于开发双极型 新材料、进一步优化器件结构及在载流子注入和发光效率之间找到平衡点，从而 提高器件的性能。 由于陷阱杂质的存在，在一种有机材料中实现双极输运是非常困难的。因此， 通过优化有机发光晶体管的结构来提高其光电性能至关重要。静电感应型o