华南师大研究团在介电层可靠性及OLED物理理论研究取得重要进展

多晶介电层在反射式显示、集成电路、电容器等多种应用中对器件的可靠性和寿命起着决定性的作用。然而，由于其涉及的复杂物理机制，对介电层的老化失效过程进行准确的物理建模一直是理论研究的难点。近日，华南师范大学华南先进光电子研究院彩色动态电子纸研究所周国富团队刘飞龙副研究员课题组建立了多晶介电薄膜经时击穿（TDDB）过程的三维机理模型。

该模型基于电子的多声子缺陷辅助隧穿理论，考虑了介电层晶粒边界处缺陷位置与能量的离散性，通过求解描述隧穿电荷动力学的三维主方程和泊松方程，得到穿过介电层的漏电流密度。同时将每个电荷捕获和发射的净声子作为局部点热源处理，将局部产热功率导入傅里叶热流方程进行三维温度分布计算。新的缺陷态位置由局部温度和电场确定其概率并由蒙特卡罗算法生成，随后将其纳入下一轮的电热耦合性质计算。该计算过程形成正反馈回路，逐渐导致陷阱密度、温度和漏电流密度的增加，最终导致介电击穿。结合实际材料参数，该模型能较好地近似再现出不同介电层厚度、电压和温度下的实验漏电流密度-电压特性曲线和击穿时间的威布尔分布。

基于该模型研究发现，在实际器件中，当介电层接近击穿时，电子在三维缺陷之间的传输过程对漏电流的贡献不可忽略。同时，该模型的一大特色是识别与每个缺陷相关的漏电流，通过对比TDDB过程中各个部分缺陷对漏电流的贡献发现，在TDDB的早期阶段，电流的增加主要是由于缺陷浓度的增加；在接近击穿的TDDB的后期，增加的电流是同时由于缺陷浓度的增加和电子在缺陷与缺陷之间跳跃速率的上升造成的电流增加。该模型使用三维主方程方法计算效率高，可以实现在标准台式机上轻松完成103个缺陷的演化计算。本文提出的关于介电击穿的物理理论模型，为介电层的可靠性优化提供了新的设计准则。相关成果近期以题为“Three-dimensional mechanistic modeling of time-dependent dielectric breakdown in polycrystalline thin films”发表在应用物理领域顶级期刊Physical Review Applied上。华南师范大学刘飞龙副研究员与周国富教授为共同通讯作者。华南师范大学张青清（2020级硕士生）为本论文的第一作者。于立帅（2020级硕士生）、边正品（2020级硕士生）、袁冬副研究员、孙海玲副研究员、唐彪研究员、陆旭兵教授为共同作者。论文链接： https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.19.024008

OLED为目前重要的显示技术，其器件由有机分子无序堆积形成，与传统无机晶体半导体不同。在传统无机晶体半导体中，材料由较强的共价键结合，载流子为离域化的并且通过能带进行输运（band transport）。而OLED中分子材料由较弱的范德华力结合形成，载流子为定域化的并且通过非共振跃迁传输（hopping transport）。由于其物理本质的区别，传统无机半导体的理论是否适用于OLED，是一个重要的有待研究的问题。刘飞龙副研究员团队在该领域深耕多年，近期提出了不同于传统无机半导体理论的OLED电荷注入新理论，以及OLED与金属形成肖特基势垒的新理论。相关论文如下：Schottky-contact formation between metal electrodes and molecularly doped disordered organic semiconductors, Phys. Rev. Applied 19, 024041 (2023)https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.19.024041

刘飞龙课题组使用三维动力学蒙特卡罗（KMC）模拟研究了金属电极和分子掺杂无序有机半导体之间肖特基接触的形成在多大程度上可以符合晶体无机半导体的理论，研究了电荷载流子所处的局域化状态以及在分子间跳跃传输的影响。我们发现当忽略能量无序时，肖特基接触耗尽区的厚度明显小于预期的厚度；还发现能量无序的存在影响单层双肖特基器件的电极附近耗尽区宽度的电压依赖性。我们基于掺杂浓度、能量无序度和电场的影响，精确对迁移率函数进行参数化，通过半解析模型成功地描述了双肖特基结中两个耗尽区和它们之间电荷中性层上的电压降。我们进一步发现耗尽区的迁移率显著降低，从而导致结果耗尽区形成过程可以是超慢的，具有从微秒到甚至超过毫秒的特征时间尺度。Image-force-stabilized interfacial dipole layer impedes charge injection into disordered organic semiconductors, Phys. Rev. Applied 17, 024003 (2022)https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.17.024003

刘飞龙课题组使用三维动力学蒙特卡罗模拟表明，电荷载流子从金属电极注入无序有机半导体在标称欧姆注入条件下受到镜像力稳定界面偶极层中电荷载流子之间的短程库仑相互作用的强烈阻碍。相比之下，三维主方程和传统的一维漂移扩散模拟由于其基于平均场近似而低估了这些库仑相互作用，所以无法准确包含载流子之间的库伦耦合效应。我们模拟预测得到当标称注入势垒非常小或甚至为负时，有机半导体器件中的电流密度降低，这与最近的实验结果一致[Kotadiya et al.，Nat. Mater. 17329（2018）]。与该文中对界面附近能级无序程度增强的解释不同，在本文中，我们发现，不需要对界面附近进行能级无序度增强，仅仅在准确考虑了超越平均场近似的电荷-电荷相互作用之后，已经可以成功地解释该反常实验结果。

刘飞龙为华南师范大学在“双一流”物理学科建设的背景下于2021年引进的应用物理类青年拔尖人才，2022年入选广东省海外高层次人才引进计划（青年拔尖），入职后以华南师范大学为第一单位已在Physical Review Applied期刊发表第一/通讯作者论文3篇，已在新型显示器件物理领域提出多项原创性的新理论、建立新的物理模型，并开发实现原创自主的理论模拟工具。以上工作得到了国家重点研发计划重点专项项目(No. 2021YFB3600601)、广东省海外高层次人才引进计划（青年拔尖）项目、国家自然科学基金项目(No. 62005083,12004119)、广州市科技计划项目(No. 2019050001)、“广东特支计划”本土创新创业团队项目(No. 2019BT02C241)，教育部“长江学者和创新团队发展计划”资助项目(No. IRT 17R40)、中国博士后科学基金(No. 2020M672667)、广东省自然科学基金(No. 2021A1515010623)、广东省光信息材料与技术重点实验室(No. 2017B030301007)、广州市类纸显示材料与器件重点实验室(No. 201705030007)、教育部光信息国际合作联合实验室及国家高等学校学科创新引智计划111引智基地-光信息引智基地的支持。

（来源：华南师范大学）