垂直构型OLET及工作原理

【中心议题】

• *垂直构型OLET的结构
• *垂直构型OLET的工作原理

【解决方案】

• *静电感应型OLET
• *垂直场效应OLET

将有机薄膜晶体管(OTFT)与有机发光二极管(OLED)集合在一起,利用OTFT来驱动OLED的器件称为有机发光晶体管(OLET)。

传统结构OLET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。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OLET (Vertical OLET,VOLET)是以垂直结构的晶体管( Verticaltransistor)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OLET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OLET主要有两种:静电感应型OLET和垂直场效应OLET (VOLEFET或VOLET)。

1　静电感应型OLET

静电感应型OLET是以垂直结构的静电感应晶体管为基础,将有机半导体层换为半导体异质结制成。最先报道这种结构器件的是日本学者Kudo等人,其器件结构如图所示。网状栅极位于有机层之间;栅极周围的有机层α-NPD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二极管结合在一个简单结构中。从ITO源极进入的空穴和从漏极进入的电子,在Alq3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-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。

Park等人对静电感应型OLET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。

2　垂直场效应OLET

垂直场效应OLET是以垂直构型场效应晶体管( vertical organic field-effect transistor,VOFET)为基础。Yang小组制作了一种VOLET,其结构如图所示。该器件采用了发光聚合物材料(Light-emitting polymer, LEP)。工作时空穴和电子在LEP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20 nm左右。在源极厚度增加之后,器件的晶体管工作特性消失。

目前,对传统结构OLET的研究较多,而垂直构型OLET的研究刚刚起步。传统结构OLET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OLET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Nakamura等人报道了一种新结构的有机场效应发光管,采用MIS结构。MIS-OLET就是将一个OLED放在绝缘层和栅极之上制成的,OLED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。