有机共聚物半导体器件耐压机理研究.pdfVIP

摘要

长期以来，有机半导体（OSCs）由于是窄禁带半导体，根据无机半导体的理论，禁带越

窄耐压性能越差，因此有机场效应晶体管（OFETs）尽管拥有成本低廉、机械柔性，可大规模

印刷等优势在显示、光伏，传感器等领域已经商业化应用，但是在功率领域却鲜有研究。然

而，与无机半导体不同，有机半导体既没有晶格结构，也没有传统的碰撞电离机制，因此其

耐压机制可能与无机半导体显著不同，有可能展现出良好的耐压性能。本文基于二酮吡咯并

吡咯的聚合物（DPPT-TT）的耐压研究已经表明，有机共聚物半导体具有很大的耐压潜力。本

文基于不同结构的有机器件的实际测试数据，对有机功率器件的耐压机理展开研究，主要包

括共聚物半导体的击穿方式研究、带有漂移区（LDR）的共聚物半导体耐压机理与背靠背共

聚物半导体的肖特基结（BTB-SBD）耐压理论研究及其相关耐压参数的提取。

本文围绕适用于有机共聚物的耐压机制进行研究。首先，本文基于有机共聚物半导体

DPPT-TT的击穿循环测试数据，得到了击穿电压（BV）与温度呈现正相关的曲线，提出了有

机共聚物半导体的类类雪崩击穿机制。其次，通过设计并制造出基于DPPT-TT的LDR-OFET

与BTB-SBD器件耐压测试，验证了窄禁带共聚物（E≈1.2eV）DPPT-TT具有惊人的耐压能

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力，最终基于载流子热发射（TE）理论对DPPT-TT关键耐压参数进行了表征。研究内容包括：

第一，设计并制造出基于DPPT-TT的LDR-OFET，在BV测试过程中，证明了器件的类

类雪崩击穿的主导方式；在LDR为19.77μm时，得到了关态下高达2200V的器件击穿电压，

平均电场高达1.18MV/cm。之后提出了LDR-OFET关闭工作状态下的等效PIN载流子传输

理论结构，利用实验数据证明了该结构的合理性，给出了基于DPPT-TT的LDR-OFET的耐

压经验方程。

第二，基于DPPT-TT设计并制造出共聚物BTB-SBD用于研究共聚物与金属接触的肖特

基结耐压机理。提出了肖特基结载流子热发射（TE）的传输理论模型，并通过纵向肖特基器

件与横向有机肖特基器件实验数据证明了TE理论的合理性以及横向BTB-SBD的结构模型。

第三，基于BTB-SBD实验测得的数据，根据TE理论结合器件的实际情况，推导出器件

的关键耐压参数的表征公式，包括有效载流子浓度（Nd）、临界电场（EC）以及DPPT-TT的

碰撞电离系数（α）。作为窄禁带共聚物，在Nd为8.7×1016cm-3时，DPPT-TT的EC高达5.0

MV/cm，而相同载流子浓度下的宽禁带半导体4H-SiC的EC为4MV/cm；共聚物半导体优异

的耐压性展现出了在半导体功率器件领域应用和发展的巨大潜力。

关键词：有机功率器件，雪崩击穿，耐压理论，碰撞电离系数，热电子发射理论

Abstract

Inthepastdecades,organicsemiconductors(OSCs)havebeenlessexploredinthefieldofpower

electronicsduetotheirnarrowbandgap,whichaccordingtothetheoryofinorganicsemiconductors,

suggestspoorbreakdownvoltageperformance.Despitebeingcost-effective,mechanicallyflexible,

andcapableoflarge-scaleprinting,organicfield-effecttransistors(OFETs)havebeenprimarily

commercializedinthefieldsofdisplays,photovoltaics,andsensors,butrarelyinpowerelectronics.

However,unlikeinorganics