云南大学吕正红院士、朱强副研究员团队《ACS AMI》：构筑多层源漏电极接触界面抑制MoO3扩散和提升有机晶体管稳定性

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金属电极与有机半导体材料之间的接触电阻是影响有机电子器件发展的关键问题。随着材料制备技术的进步，有机半导体材料的载流子迁移率不断提高，有机薄膜晶体管（Organic Thin-Film Transistors，OTFTs）的器件性能不再受制于沟道电阻，而取决于源漏电极与有机半导体之间的接触电阻。目前，通过在源漏电极与有机半导体有源层之间热蒸镀MoO₃界面修饰层（Interface Modification Layer，IML）被认为是降低OTFTs以及其它有机电子器件接触电阻的最有效方法。近期，云南大学吕正红院士与朱强副研究员团队在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上发表了题为“Enhanced Organic Thin-Film Transistor Stability by Preventing MoO₃Diffusion with Metal/MoO₃/Organic Multilayered Interface Source-Drain Contact”的文章。该研究团队使用酞菁铜（CuPc）作为有机半导体有源层材料，以Ag/MoO₃ IML作为源漏电极，制备了底栅顶接触结构的OTFTs，器件结构如图1（a）所示。通过光学显微照片和光电子能谱观测Ag/MoO₃ IML OTFT沟道中的有机半导体形貌和元素分布，发现：在施加源漏电压的情况下（即OTFT工作条件下），MoO₃能够从源漏电极扩散至沟道中（图2b和图2e），造成有机半导体的掺杂。图1. OTFTs器件结构示意图：(a) Ag/MoO₃ IML 双层源漏电极OTFT，(b) Ag/MoO₃/OBL 多层源漏电极OTFT。图2. 基于热蒸发工艺制备的 (a) Ag、(b) Ag/MoO₃、(c) Ag/MoO₃/NPB 为源漏电极的CuPc OTFT沟道的光学显微照片；CuPc OTFT器件工作后，(d) Ag、(e) Ag/MoO₃、(f) Ag/MoO₃/NPB 为源漏电极的OTFT沟道的光学显微照片。由于MoO₃ 从源漏电极扩散至OTFT沟道中，造成有机半导体掺杂，严重破坏了OTFTs的器件性能，导致了器件的开关比下降、场效应迁移率降低、阈值电压飘移（图3b）等。在直流电压工作条件下，由于MoO₃ 不断扩散进入OTFT沟道，导致CuPc出现p型掺杂，致使器件的源漏电流随工作时间的延长不断上升（图4b），表现出了显著的偏压应力不稳定性。图 3.  (a) Ag 源漏电极，(b) Ag/MoO₃ IML 双层源漏电极，以及 (c-i) Ag/MoO₃/OBL MIC 多层源漏电极制备的CuPc OTFTs 的转移曲线。其中，mCP、CBP、CDBP、NPB、UGH-2、TAPC 和 TCTA分别用作OBL制备MIC OTFT器件。图4. 在V_G = −50 V和V_SD = −50 V的直流偏压工作条件下，OTFTs的源漏电流（I_SD）随工作时间的变化规律：(a) Ag源漏电极，(b) Ag/MoO₃ IML 双层源漏电极，(c-i) Ag/MoO₃/OBL MIC 多层源漏电极。为了防止MoO₃扩散，该团队提出了一种由金属、MoO₃ IML和有机缓冲层（Organic Buffer Layer，OBL）组成的多层界面接触（Multilayered Interface Contact，MIC）源漏电极。在MIC器件中，MoO₃ IML能够降低接触电阻，而OBL能够抑制MoO₃ 由源漏电极扩散至OTFT沟道中（图2），从而显著提升了器件的开关比、场效应迁移率，同时避免了阈值电压飘移和偏压应力不稳定性（图3和图4）。该团队尝试使用了不同特性的有机小分子制备OBL缓冲层，测试了OTFTs的电学特性（图3和图4），系统地研究了分子特性与MoO₃扩散过程、OTFTs电学行为之间的关系。通过深入分析OTFTs的载流子注入、MoO₃掺杂、载流子捕获等动力学过程，建立载流子动力学方程，并对OTFTs的电学行为进行解析模拟，计算获得了MoO₃在不同有机小分子薄膜中的 Fick扩散系数（D），OTFT中载流子的注入效率和捕获时间等。研究结果表明：选用较高LUMO能级的有机材料制备OBL，能够增加MoO₃/OBL界面的电子注入势垒，降低自由载流子在p型沟道中的捕获率（图5a），进而有利于进一步提升OTFT的偏压应力稳定性。此外，通过比较MoO₃在不同有机材料中的Fick扩散系数，发现：随有机材料分子量的增加，MoO₃的扩散速率减慢（图5b）。但是，部分大分子量的有机材料容易结晶，MoO₃容易通过晶界扩散至有机导电沟道中。为此，在选用OBL材料时，需要避免使用高结晶性的材料。基于上述研究结果，该团队提出了一个基于物质扩散系数、分子量、电子能级结构等性质，设计、制备MIC结构电极的普适规则，有望运用于解决薄膜晶体管和其他有机电子器件中的复杂接触问题。图5. (a) 平均载流子捕获时间t与界面势垒DE 的关系。(b) MoO3 扩散系数 D 与OBL 材料分子量的关系。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.2c18780

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