有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管的制備及特性研究

于鵬飛

摘 要：有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管（OFET， organic field-effect transistors）以其在傳感器、平板顯示及集成電路等領(lǐng)域具有巨大的潛力，得到了各界的關(guān)注。本文概述了制備有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的材料，以及目前主要的器件制備技術(shù)，并簡(jiǎn)要說(shuō)明了有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管在各領(lǐng)域中應(yīng)用和相關(guān)的特性研究。

關(guān)鍵詞：有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管，OFET，有機(jī)材料

0 引言

有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管是一種傳輸層使用有機(jī)半導(dǎo)體材料的薄膜場(chǎng)效應(yīng)管。與無(wú)機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管相同，它是組成集成電路最基本的元件，并隨著其在有機(jī)電發(fā)光式柔性顯示器、集成電路以及各種智能卡等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管已經(jīng)取得了極大的進(jìn)展[1]。

自1986年Tsumura等人首次以有機(jī)半導(dǎo)體材料作為有源層制備得到有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管以來(lái)，其研究得到迅猛的發(fā)展，并且實(shí)現(xiàn)了眾多突破。當(dāng)前，有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管的載流子遷移率和電流開(kāi)關(guān)比已經(jīng)與無(wú)機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管相媲美；高介電常數(shù)的有機(jī)絕緣體材料也為其制備奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管制備技術(shù)也向工藝簡(jiǎn)化、降低成本方向發(fā)展[2]。本文綜述了有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管的設(shè)計(jì)、制備、以及特性研究的最新進(jìn)展。

1 有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管的半導(dǎo)體材料

1.1 有源層材料

有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管的有源層材料分為p型和n型材料，但是因?yàn)槠浞诸惒簧婕皳诫s，因此有別于無(wú)機(jī)材料的定義。有機(jī)中n型材料只是指材料具有高的電子親和性，p型材料是指具材料有高的空穴親和性，而親和性特征只與兩個(gè)材料的性質(zhì)有關(guān)，其一是材料本身的最高占據(jù)分子軌道能級(jí)（HOMO ，Highest Occupied Molecular Orbital）和最低未占據(jù)分子軌道能級(jí)（LUMO， Lowest Unoccupied Molecular Orbital）關(guān)系，其二是材料的π鍵共軛體系。

1.2 介質(zhì)層材料

有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制型器件，其結(jié)構(gòu)與于平行板電容器相似，因此絕緣層的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)器件性能的影響十分巨大。絕緣材料的最基本要求是具有高介電常數(shù)，這利于產(chǎn)生較多的溝道載流子和提高載流子遷移率，其次應(yīng)具有較好的熱和化學(xué)阻抗以及高擊穿電壓等。當(dāng)前有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管的絕緣材料包括有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料。無(wú)機(jī)絕緣材料有二氧化硅（SiO2 ）、氮硅化物等。絕緣效果較好的有機(jī)聚合物包括聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯等。

1.3 電極材料

有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管的電極材料的選擇對(duì)器件的性能至關(guān)重要。在理論上，其要求是與有機(jī)材料形成歐姆接觸，因此根據(jù)p型與n型制備材料的不同，要使用不同功函數(shù)的電極材料。當(dāng)使用p型材料時(shí)，因?yàn)檩d流子在能帶的HOMO能級(jí)上傳輸，因而選用高功函數(shù)的電極材料比較合適，如金屬金（Au）等。反之，使用n型有機(jī)半導(dǎo)體時(shí)，由于在較低能級(jí)的LUMO能級(jí)上傳輸載流子，故需要低功函數(shù)的電極，例如鋁（Al）、銀（Ag）等。

2 有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管的制備

有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管的制備方法有許多種，如真空氣相沉積、旋涂法、溶液印刷法、軟石印法以及噴墨打印等，各種方法的優(yōu)劣各有不同。本文簡(jiǎn)要介紹真空鍍膜和溶液鍍膜技術(shù)。

2.1 真空鍍膜

真空鍍膜技術(shù)指的是在真空環(huán)境下，在基底表面利用物理或化學(xué)手段制備各膜層。其技術(shù)主要分為物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積。前者包括蒸發(fā)鍍膜和濺射鍍膜，后者包括有機(jī)分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)。熱蒸鍍是在真空中利用受熱后的蒸發(fā)或升華的物質(zhì)將冷凝沉積在基底表面。

濺射法是利用粒子經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速后轟擊到靶材表面上，將其表面的原子濺射出來(lái)并在基底上沉積而形成薄膜。真空鍍膜技術(shù)具有膜的純度高、高場(chǎng)效應(yīng)遷移率，純度厚度可控等優(yōu)點(diǎn)，但是由于其使用設(shè)備復(fù)雜，成本高，在工業(yè)應(yīng)用中較困難。

2.2溶液鍍膜

溶液成膜法主要有溶液澆鑄法和溶液旋涂法，其優(yōu)點(diǎn)是不需要高的沉積溫度，而且內(nèi)部的有序性非常完整。溶液澆鑄法的做法是在固定的基片上，模具中滴入成膜所需的溶液，通過(guò)加熱或者其他方法使其固化，之后去掉模具從而形成薄膜。而溶液旋涂法是將成膜需要的液體滴在固定的基板上，然后讓基片高速旋轉(zhuǎn)，液體膠液在離心力的作用下均勻涂覆，從而形成膜層。溶液成膜法還包括LB膜技術(shù)，印章技術(shù)等。

3 有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管的應(yīng)用與特性研究

3.1 有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管的應(yīng)用

有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管因?yàn)槠洳牧系奶厥庑秃推渚哂械莫?dú)特的電學(xué)性質(zhì)，在越來(lái)越多的方面有巨大的應(yīng)用前景。例如有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用于氣體檢測(cè)已有報(bào)道；利用在有機(jī)導(dǎo)電層產(chǎn)生電荷載流子這一結(jié)構(gòu)可以研究高度有序的有機(jī)材料的超導(dǎo)性；全有機(jī)顯示屏和柔性顯示屏使用有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管作為驅(qū)動(dòng)部分；利用有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管第一次實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生有機(jī)激光等[3]。

3.2 有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管的特性研究

有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管作為三端電壓控制型器件，包含了源極（S）、漏電極（D）和柵電極（G）。其工作原理和一般場(chǎng)效應(yīng)管相似，即在通常情況下，先將場(chǎng)效應(yīng)管的S極接地。當(dāng)G極和S極之間的無(wú)電壓時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管處于“關(guān)”狀態(tài)，其中沒(méi)有電流通過(guò)；當(dāng)G極和S極之間加上電壓時(shí)，G極和有機(jī)層相對(duì)的兩個(gè)面上就要被充電，場(chǎng)效應(yīng)管處于“開(kāi)”狀態(tài)，在溝道中就有電流通過(guò)。其輸入輸出特性曲線如圖3所示。有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管的柵電壓的大小可以控制源漏極之間電流的大小，原理是柵電壓的大小影響著半導(dǎo)體層中的感應(yīng)電荷密度的大小，也就是影響著DS極之間的導(dǎo)電溝道的寬窄。載流子遷移率和電流開(kāi)關(guān)比是表征有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件性能的主要參數(shù)。載流子遷移率定量的說(shuō)就是單位電場(chǎng)下載流子的獲得的速度。其有效描述了在溝道中有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管的有源層內(nèi)的載流子的運(yùn)動(dòng)情況。電流開(kāi)關(guān)比是指有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管處于“開(kāi)態(tài)”和“關(guān)態(tài)”時(shí)，源漏電流的比值，其直接反映了器件開(kāi)關(guān)性能的好壞。

4 總結(jié)

本文首先簡(jiǎn)要介紹了有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管的分類與發(fā)展，主要討論與研究了有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管件的有機(jī)半導(dǎo)體材料、柵絕緣層材料和電極材料，然后闡述了有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管的制備方法、基本結(jié)構(gòu)以及工作原理。

參考文獻(xiàn)

[1]王登攀. 有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管研究與應(yīng)用展望[D]. 吉林大學(xué)， 2005.

[2]冷華星. 有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管制備與研究[D]. 江南大學(xué)， 2014.