有机小分子单晶和高迁移率单晶场效应晶体管制备研究

Because of its better structural ordering for the organic single crystal, it has been demonstrated that the single-crystal FET has the higher carrier mobility than the poly-crystal OFET. Therefore, the single-crystal OFET can be applied not only in the fundamental research, but also in the high-speed organic flexible electronics. This research proposal focuses on the achievement of high mobility OFET (above several tens cm2/vs) fabricated using the organic single crystal. The research objectives are clarification of the growth mechanism for the molecular crystal and the optimum technique conditions in fabricating the crystal devices. Firstly, to optimize the crystallization conditions, we will study the relationship between the molecular nucleation and growth conditions and the parameters of deposition with the physical vapor transport method. Secondly, a novel growth method based on "two step growth method", namely, initial crystallization from small molecular monolayer grains to nanosized single crystals and subsequent PVT growth on nanocrystals as seeds has been proposed to fabricate larger micro-sized crystals with a better interface quality. Thirdly, an optimal device fabrication process is proposed to achieve the high mobility OFET using an organic single crystal.

有机单晶比有机薄膜具有更完整和有序的分子堆垛和排列结构，因此有机单晶晶体管可以显示出更高的载流子迁移率，有望在揭示有机分子导电机理的基础研究和高速柔性有机电子学中得到广泛应用。本研究目标围绕制备迁移率达数十cm2/vs量级的单晶场效应晶体管，研究有机小分子晶体生长动力学过程，探讨单晶晶体管最优制备方案。首先研究基底表面化学状态及物理气相传输生长参数对有机小分子单晶生长形核、长大的调控作用，研究有机分子晶体气相传输生长的普遍规律；其次探讨改善有机晶体/介电层界面质量的新方法和新工艺，发展利用单层薄膜热退火熟化获得纳米晶"籽晶"的两步生长法，以减少和降低界面缺陷对导电沟道载流子输运的影响；第三，建立原位制备高性能单晶场效应晶体管的加工工艺，有效控制界面缺陷和解决金属电极注入问题，以提高和改善单晶晶体管器件性能。通过对有机单晶器件制备过程中基础问题研究，为高速有机电子器件发展和应用奠定基础。

有机分子单晶因具有有序完整的分子堆垛形态是研究有机分子内在导电性质的理想载体。有机分子单晶器件，特别是场效应晶体管性能除受分子聚集体本征导电特性影响外，还同时由晶体与介电层间界面质量所决定。为此，本研究致力于发展基于物理气相传输（PVT）法制备超薄大面积有机分子单晶片，开拓新型原位器件加工制备工艺，以制备高迁移率有机分子单晶场效应晶体管为目标，获得以下研究成果和认知：.1）发展了一种基于分子单层薄膜退火熟化获得纳米"籽晶"辅助PVT两步生长有机分子单晶方法。通过综合优化源区、结晶区温度以及载气流量等晶体生长动力学参数，在SiO2衬底上成功生长出超薄大尺寸有机单晶，单晶横向尺寸约为20至70 μm，厚度从30 nm到几百纳米范围可控。.2）在获得超薄大尺寸有机单晶基础上，建立了一种新型原位制备有机单晶场效应晶体管的工艺，相比传统二次转移法，本方法获得的直接原位半导体/介电层界面质量得到极大提高，并五苯分子器件场效应迁移率最高为5.6 cm2V-1s-1，较传统转移法提升140%，高于之前文献报道的同类分子和介电层材料的迁移率数值。.3）系统研究了分子晶体内电声耦合效应对载流子沿c轴（a-b面为-共轭耦合）的输运特性，发展了小极化子空间电荷限制电流（SCLC）模型，成功解释了TIPS-PEN分子沿c轴电荷传输性质，为分析电极注入电阻对器件性能的影响提供了物理基础。.这些研究结果将为进一步提高有机分子场效应晶体管性能，发展高速有机电子器件、拓展其应用起到积极推动作用。