3.7.1 OTFT特性

近20年来，随着对各种高性能有机半导体分子材料的研究，其迁移率有了数量级的提升，所报道的最高值已经超过了10cm2·V-1·s-1，为OTFT的发展和应用提供了广阔的空间。然而，由于复杂的载流子调控和输运机制、不稳定性及接触电阻等因素的影响，所报道的 OTFT 器件的电学特性曲线表现出各种非理想行为。针对这样的特性曲线，采用场效应晶体管的基本模型进行迁移率的提取，带来了严重的迁移率高估的问题。而且，这些报道中所采用的器件结构和工艺没有考虑面向集成制造的可扩展性。例如，介电层依赖于自组装单分子层表面修饰的热氧化SiO₂、结构采用顶接触结构、沟道长度较长（几十微米，甚至100μm以上）及没有图形化等。由于这些原因，可以用于显示背板集成制造的OTFT的迁移率要远远低于所报道的器件表征的结果。

显示背板中的OTFT的沟道长度至少需要小于10μm，才能满足集成的要求，因此，在发展高迁移率有机半导体材料的同时，降低电极区的接触电阻成为提高 OTFT 器件性能的关键。结合半导体材料设计、源/漏极的表面修饰及双栅的电学调控，可以有效地降低接触电阻，从而使器件的有效迁移率随沟道尺寸的微缩没有明显的下降，能够在 7μm 的沟道长度下保持高于4cm2·V-1·s-1的迁移率和接近理想的场效应特性曲线。为了提高 OTFT 器件的有效迁移率，材料的设计、器件结构和制造工艺需要进行协同优化。

除迁移率外，开关比、阈值电压和亚阈值摆幅也是影响OTFT显示应用的关键性能参数。图3-16（a）比较了应用于显示背板的a-Si、LTPS和AOS TFT的典型特性曲线。理想的TFT的电流开关比一般需要大于108，亚阈值摆幅小于200mV/dec，阈值电压的绝对值在3V之内，而且关态漏电流要在一定的关态电压范围内没有明显的增加。目前，采用单极性的有机半导体材料（对电子传输的抑制）和绝缘性好的栅介电层，OTFT的开关比可超过108，漏电流低于10-17A/μm，如图3-16（b）所示。然而，由于聚合物介电层的致密性要差于无机介电层，因此需要较厚的膜层以获得所需要的绝缘性能，导致栅介电层电容偏小；同时，有机半导体薄膜形成的沟道层一般存在较大的带隙缺陷态密度。因此，所制备的OTFT器件存在亚阈值摆幅和阈值电压偏大的问题。为了解决这些问题，可以采用低k/高k的双层结构的栅介电层，通过高k介电层的足够厚度获得较大的栅介电层电容，而低 k介电层和有机半导体形成良好的界面，避免高 k 介电层极化引起的电荷俘获所造成的迁移率下降和偏置稳定性的问题。研究者发现将小分子有机半导体与聚合物介电材料按一定比例共混形成的溶液，通过涂布印刷工艺沉积在表面平滑的栅介电层上，能够形成低缺陷态密度的沟道层，从而所制备的底栅底接触（反共面结构）OTFT 器件可以以较厚的低 k 介电层实现陡峭亚阈值摆幅。结合低缺陷态密度的沟道层和低 k/高 k 双层结构介电层的这两个方法，所制备的 OTFT 器件的亚阈值摆幅可以小于70mV/dec。

图3-16 几种典型TFT器件性能比较

然而，目前低缺陷态密度沟道层的方法仅基于底栅底接触的器件结构得到验证。利用液晶相的小分子半导体材料迁移率可达到4.9cm2·V-1·s-1。对比顶栅底接触结构，底栅底接触结构的器件由于较小的有效载流子注入面积，存在接触电阻较大的问题。近期的研究表明，通过采用很薄的栅介电层增强栅极电场，可以实现接触电阻小于顶栅结构的底栅OTFT器件，但在显示应用中如何实现很薄的栅介电层是很大的挑战。

稳定性是 OTFT 面向显示应用的一个关键问题。目前围绕 OTFT 的稳定性研究多数采用正负恒压偏置或反复开关的方式。NBIS、NBTS、PBTS（OTFT为P型）等针对显示中开关和电流驱动应用的测试的研究很少。AUO详细比较了OTFT与a-Si TFT的N/PBTS测试的结果，表明OTFT的偏置稳定性胜于a-Si TFT，更有利于应用于柔性显示背板。