第七章 OTFT部分

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时间 1987 作者 H.Laurs 敏感薄膜材料 酞菁 检测对象 氧气和碘、溴等挥 发性气体
2000
2001 2001 2006 2009 2009 …
L.Torsi
M.Bouvet B.Crone J.T.Mabeck F.Marinelli Y.Park …
NTCDA
酞菁 齐聚物聚噻吩 聚噻吩 D3A SWCNTs …
6
1 概述
1.4 研究思路
OTFT气体传感器工作原理研究
OTFT器件设计
OTFT器件制备
绝缘层厚度、沟道宽长比 参数优化
敏感材料选择
敏感薄膜表征 敏感薄膜制备
器件电学、气敏性能测试
气敏模型建立
OTFT气体传感器敏感机理研究
7
1 概述
1.5 OTFT气体传感器制备
active Ti/Au layer SiO2 Si
2.2.1 酞菁简介
酞菁:Phthalocyanines,Pcs 广泛应用于OTFT半导体材料
Pcs分子结构图 特点:具有18π电子系的环状共轭化合物,电子在π轨道的分子中心平面 的上方和下方的电子云范围内运动,其共轭体系通常为层状结构,π轨道 平面具有较大的重叠,形成了一维结构,并发挥电子或空穴的传递,因此 表现出导电性
工作点参数:Vds= -50 V, Vgs= - 40 V H2S:无色、臭鸡蛋气味、毒性强
21
2 主要研究内容
2.2.2 CuPc OTFT对H2S气敏性能及机理分析
H2S浓度增大,曲线下移 CuPc OTFT In dry air In 100ppm In 200ppm H2S H2S 参数 Vds=-50V VthCuPc (V) OTFT在不同气氛下的转移特性曲线( -16.7 -18.7 -20.5) u (cm2/Vs) R (100%) 6.82E-4 0 6.23E-4 0.42 5.43E-4 0.446
300nm SiO2
绝缘层变大:接触界面产生较大面积电荷,有益于载流子传输 绝缘层过厚:电容率影响Ids,载流子传输受到限制
12
2 主要研究内容
2.1.1 绝缘层厚度优化
R= I gas -I air I air
T (s) 140 62 89
T: 响应时间,T90 d (nm) 125 195 300 R (100%) 0.557 0.605 0.393
34
2 主要研究内容
2.3.1 复合薄膜简介及制备
敏感材料
有机材料 无机纳米材料 协同互补 混 合 有机/无机纳米复合材料 气喷:所制备的 薄膜由无数雾化 后液滴组成 优势:成本简单、 制备简单、可制 气喷备各种形状
曾有研究报道了金属酞菁材料在黑暗 的真空环境中不具有导电性 N2载气环境中,响应虽大,但无法恢复 干燥空气载气环境中,响应次之, 但恢复性好、较快吸附、易达到稳定
空气中的氧在气 敏响应过程中
无法忽视!!
CuPc OTFT在氮气和干燥空气作载气 时对100 ppmH2S的响应率图
K1 K2
h+是离域空穴载流子,K1、K2和K3分别是三个过程的平衡常数
2.2.3 MPc OTFT对DMMP气敏性能对比分析
F16CuPc OTFT
对DMMP重复性响应:响应小
电学特性曲线
不同气氛下转移曲线
31
2 主要研究内容
2.2.3 MPc OTFT对DMMP气敏性能对比分析
CoPc OTFT和CuPc OTFT在干燥空气和50 ppmDMMP气氛中的参数对比
器件参数 Vth (V) -2 CoPc OTFT In dry air In 50ppm DMMP -3.5 In dry air -9 CuPc OTFT In 50ppm DMMP -16
16
结论:W/L与气敏性能有直接关系,W/L(160)最佳
2 主要研究内容
2.1.2 沟道宽长比优化
α-6T OTFT对NO2响应
α-6T OTFT对NO2具有较好的响应性和重复性,可 用作痕量NO2气体传感器。
17
2 主要研究内容
2.1.3 小结
绝缘层厚度195nm薄膜晶体管器件气敏性能最佳
α-6T薄膜SEM图
14
2 主要研究内容
2.3.2 沟道宽长比优化
α-6T OTFT电学特性曲线
W/L:40
W (nm)
1000 4000 16000
L (nm)
25 25 25
W/L:160 W/L u (cm2/Vs) 40 160 320 5.67E-4 3.08E-3 1.23E-3
Ion/Ioff
沟道宽长比160薄膜晶体管器件敏性能最佳
后续研究使用器件
18
2 主要研究内容 2.2 金属酞菁敏感薄膜制备及气敏特性研究
2.2.1 酞菁简介 2.2.2 CuPc OTFT对H2Sபைடு நூலகம்气敏性能及机理分析 2.2.3 MPc OTFT对DMMP气敏性能对比分析 2.2.4 小结
19
2 主要研究内容
CuPc OTFT电学特性曲线 d (nm) 125 195 300 Ci (nF/cm2) 26.7 17.7 11.5 u (cm2/Vs) 1.533E-5 3.661E-4 6.897E-5 Ion/Ioff 13 203 27.3 Vth (V) -6.5 -16.5 -11.3
125nm SiO 2 195nm SiO2 绝缘层薄:引起“隧穿”现象
7.3.2 有机薄膜晶体管气体传感
器的制备及特性研究
当你可以直面自己身体里与生俱来的笨拙与孤独,你
便能够彻底谅解过去的自己。大多数人都像我们这样
活着,虽不聪明,但诚恳;虽会犯错,但坦然。
目录
1 概述
2 主要研究内容
2.1 2.2 2.3 2.4 OTFT器件参数优化 金属酞菁敏感薄膜制备及气敏特性研究 聚噻吩/无机纳米氧化物复合薄膜制备及气敏特性研究 异质结结构薄膜制备及气敏特性研究
MPC +O2 MPC -O2 MPC -O2 MPC -O2- +h+
+
-
K3
第一个过程:氧吸附于金属酞菁薄膜表面 第二个过程:金属酞菁与氧之间发生电荷的转移,其接触表面产生了超氧化物 第三个过程:表示所产生的电荷的离域作用
25
2 主要研究内容
2.2.2 CuPc OTFT对H2S气敏性能及机理分析
CuPc OTFT对H2S表现出较好的响应/恢复特性、 重复性和选择性
空气中的氧对OTFT气体传感器性能具有重要作用
OTFT气体传感器具有多参数检测的特点 铜离子在对DMMP的催化降解过程具有一定的帮 助,CuPc OTFT对DMMP具有最大的响应
33
2 主要研究内容
2.3 聚噻吩/无机纳米氧化物复合薄膜制备及气敏特性研究 2.3.1 复合薄膜简介及制备 2.3.2 P3HT/ZnO OTFT对HCHO气敏性能及机理分析 2.3.3 P3HT/不同纳米材料对HCHO气敏性能对比分析 2.3.4 小结
d
ε0:真空介电常数,8.85×10-14 F/cm k: SiO2介电常数,3.9 d: 绝缘层厚度

三个绝缘层厚度:125、195、300nm 沟道宽长比:160 有源层材料:CuPc、真空蒸发、90nm 测试对象:H2S
CuPc薄膜SEM图
2 主要研究内容
2.3.1 绝缘层厚度优化
CoPc制备:真空蒸发、90nm
CoPc 薄膜SEM图 由均匀晶粒组成, 晶粒之间存在间隙 CoPc OTFT电学特性:良好
29
2 主要研究内容
2.2.3 MPc OTFT对DMMP气敏性能对比分析
CoPc OTFT
不同气氛下转移特性曲线
对不同浓度DMMP响应
对DMMP重复性
30
2 主要研究内容
性质:具有良好的化学性质、热稳定性、优越光学电学特性 应用:电化学设备、光学开关、数据存储、气体传感器、太阳能电池、
有机薄膜晶体管……
20
2 主要研究内容
2.2.2 CuPc OTFT对H2S气敏性能及机理分析
CuPc薄膜制备:真空蒸发,90nm
CuPc OTFT对H2S响应 CuPc OTFT电学特性
3 总结与展望
3
1 概述
1.1 OTFT简介
有机薄膜晶体管:Organic Thin-Film Transistors, OTFT 1962年,Weimer提出其概念
材料、工艺改进、性能提高、机理研究…
互补集成电路、液晶显示、电源驱动、气体传感器……
OTFT底栅底接触结构
4
1 概述
1.2 OTFT气体传感器研究进展
底栅底接触结构 优点: 可大量制备TFT器件 便于制备不同敏感材料薄膜 气体与敏感薄膜直接接触
有源层:采用有机半导体材料, 结合镀膜工艺制备 电极层:Ti可以有效实现SiO2 和Au的连接,类似双面胶作用, 叉指电极形状:40,160,320 绝缘层:热氧化法制备, 3个厚度:125、195、300nm 衬底:n+、(100)、重掺杂、 具有外延层,同时作为栅极
8
1 概述
1.6 测试系统
9
2 主要研究内容 2.1 OTFT器件参数优化
2.1.1 绝缘层厚度优化 2.1.2 沟道宽长比优化 2.1.3 小结
10
2 主要研究内容
2.1.1 绝缘层厚度优化
绝缘层作用:对于OTFT性能具有直接关系,绝缘层与半 导体层的接触界面对电荷的传输也有很大的影响 绝缘层单位面积电容: Ci = 0 k
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2 主要研究内容
2.2.2 CuPc OTFT对H2S气敏性能及机理分析
极性分子 非极性分子
CuPc OTFT对H2S重复性
CuPc OTFT对还原性气体选择性(100ppm) 响应不同的原因: 气体分子极性、稳定性 气体分子得失电子能力
23
2 主要研究内容
2.2.2 CuPc OTFT对H2S气敏性能及机理分析
气敏性能曲线:100 ppm H2S
结论:195nm绝缘层厚度OTFT气敏性能最优
13
2 主要研究内容
2.1.2 沟道宽长比优化
沟道作用:对于OTFT性能具有直接关系,是载流子传输 的重要通道 沟道宽长比:W/L 三个W/L尺寸:40、160、320 绝缘层厚度:195nm 有源层:α-6T、真空蒸发、90nm 测试对象:NO2
电导率 =ep
analyte
e 电子电荷量 p 空穴浓度 u 迁移率
OTFT
氧化性气体夺电子 还原性气体给电子
载流子 浓度变化
电导率 变化
Ids变化
气体与半导体材料接触, 并通过晶粒间隙逐渐影 响敏感层与金属电极、 绝缘层接触界面
24
2 主要研究内容
2.2.2 CuPc OTFT对H2S气敏性能及机理分析
92 7 17.8
W/L:320 Vth (V) -11.7 -13 -8.5
15
2 主要研究内容
2.3.2 沟道宽长比优化
W/L 40 160 320 R (100%) 1.32 5.57 6.73 T (s) 130 206 300
气敏性能曲线:2ppm NO2
沟道宽长比大 与气体接触面积大、响应大 但需更多时间吸附/解吸附
2.2.3 MPc OTFT对DMMP气敏性能对比分析
DMMP:甲基磷酸二甲酯 一种有机磷神经性毒剂模拟剂
鼓泡法气路装置
27
2 主要研究内容
2.2.3 MPc OTFT对DMMP气敏性能对比分析 CuPc OTFT
不同气氛下转移曲线
不同浓度DMMP气敏响应
DMMP重复性
28
2 主要研究内容
2.2.3 MPc OTFT对DMMP气敏性能对比分析 CoPc OTFT
u (cm2/Vs) ΔVth (V) Δu (cm2/Vs) R (100%)
1.15E-5 -1.5
0.53E-5 0.62E-5 0.198
1.16E-4 -7
0.44E-4 0.72E-4 0.271
电学性能优 气敏性能优
铜系配合物中的铜离子有利于催化降解DMMP
32
2 主要研究内容
2.2.4 小结
水挥发性气体
O3 VOCs VOCs NO、NO2 O3 …
国内:起步晚,处于基础研究阶段
重点:敏感材料的拓展
5
1 概述
1.3 研究意义
OTFT作为气体传感器的优势: • • • • • • • 检测参数:电阻(难) 电流(易) 选择栅压 调节灵敏度 多参数模式:利于气体的识别和分析 有机物分子化学修饰 提高灵敏度 有机物柔韧性好,可以弯曲,易于制成各种形状 易于集成,可制备大面积传感器阵列 成本低、制备简单、面积小、……
将OTFT的响应分为4阶段和1节点 吸附位: 强吸附位:能量较低,易于发生电荷转移和交换 弱吸附位:能量较大,不易发生电荷转移和交换
CuPc薄膜SEM图 其表面由均匀晶粒组成,晶粒表面与 晶粒之间存在大量吸附位 氧先占据 氧后占据 气体后取代 气体先取代
26
Ids改变
电荷转移
2 主要研究内容
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