有机场效应晶体管和研究

有机场效应晶体管的研究

摘要：有机场效应晶体管(Organic Field Effect Transistors,OFETs)是以有机半导体材料作为有源层的晶体管器件。和传统的无机半导体器件相比，由于其可应用于生产大面积柔性设备而被人们广泛的研究，在有机发光、有机光探测器、有机太阳能电池、压力传感器、有机存储设备、柔性平板显示、电子纸等众多领域具有潜在而广泛的应用前景。文中对OFET结构和工作原理做了简要介绍，之后重点讨论了最近几年来OFET中有机材料和绝缘体材料的发展状况，接着总结了OFET制备技术，最后对OFET发展面临问题及应用前景做了归纳和展望。关键词：有机半导体材料；有机场效应晶体管；迁移率;绝缘体材料；柔性面板显示

0引言

场效应晶体管( Field Effect Transistor FET)是利用电场来控制固体材料导电

性能的有源器件。由于其所具有体积小、重量轻、功耗低、热稳定性好、无二次

击穿现象以及安全工作区域宽等优点，现已成为微电子行业中的重要元件之一。

目前无机场效应晶体管已经接近小型化的自然极限，而且价格较高，在制备

大表面积器件时还存在诸多问题。因此，人们自然地想到利用有机材料作为FET

的活性材料。自1986年报道第一个有机场效应晶体管( OFET )以来，OFET研究

得到快速发展，并取得重大突破。由于OFET具有以下突出特点而受到研究人员

的高度重视：材料来源广，工作电压低，可与柔性衬底兼容，适合低温加工，适

合大批量生产和低成本，可溶液加工成膜等。从使用共扼低聚物成功地制造出第

一个有机场效应晶体管，到全有机全溶液加工的光电晶体管的诞生，这些突破性

进展对有机半导体材料的发展无论从理论上还是工业生产上都起到了巨大的推

动作用。

1器件结构、工作原理及性能评定

1. 1有机场效应晶体管基本结构

传统的有机场效应晶体管的主要包括底栅和顶栅两种结构，其中底栅和顶栅

结构又分别包括顶接触和底接触两种结构，如图1所示。

图1 典型的OFET结构

OFET 一般采用栅极置底的底栅结构，即图1( a) 、( b) 所示的两种结构，它们分别是底栅-顶接触结构和底栅-底接触结构。二者最大的区别就是有机层是在镀电极之前(a顶接触)还是之后(b底接触)。顶接触结构的源、漏电极远离衬底，有机半导体层和绝缘层直接相连，在制作的过程中可以采取对绝缘层的修饰改变半导体的成膜结构和形貌，从而提高器件的载流子迁移率。同时该结构中半导体层受栅极电场影响的面积大于源、漏电极在底部的器件结构，因此具有较高的载流子迁移率。底接触型OFET的主要特点是有机半导体层蒸镀于源、漏电极之上，且源、漏电极在底部的器件结构可以通过光刻方法一次性制备栅极和源、漏电极，在工艺制备上可以实现简化。而且对于有机传感器来说，需要半导体层无覆盖地暴露在测试环境中，此时利用底结构就有较大的优势。而底接触由于半导体层与金属电极之间有较大的接触电阻，导致载流子注入效率降低从而影响到其性能。目前这方面缺陷也有改进，如使用镀上聚乙撑二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸款( PEDOT：PSS)材料的金电极可以减少与有机半导体并五苯材料之间的接触电阻。二者之间载流子注入的阻力由0.85 eV直接降到0. 14 eV，导致场迁移率从0. 031 cm2 / (V·s)增加到0. 218 cm2 / ( V·s) 。

图1 (c) , (d)为顶栅结构，即首先在衬底上制作有机半导体层，然后制作源、漏电极，随后再制作绝缘层，最后在绝缘层上面制作栅极。这两种栅极位于最顶部的顶栅结构在文献报道中并不是很多。

图2是垂直沟道OFET结构，是以缩短沟道长度为目的的一类新型场效应晶

体管。它以半导体层为沟道长度，依次蒸镀漏-源-珊电极，通过改变栅电压来控制源、漏电极的电流变化。

图2 垂直沟道OFET结构

这种结构的主要特点是：沟道长度由微米量级降低至纳米量级，极大的提高了器件的工作电流，降低了器件的开启电压。这类晶体管的不足之处在于漏-源-栅极在同一竖直面内，彼此间寄生电容的存在使得零点电流发生漂移，一般通过放电处理后可以避免这种现象。

1. 2工作原理

以P型有机场效应0体管(见图3)为例来说明OFET的工作原理。

图3 p型OFET工作原理图

有机场效应晶体管在结构上类似一个电容器，源、漏电极和有机半导体薄膜的导电沟道相当于一个极板，栅极相当于另一个极板。当在栅、源之间加上负电压从V GS后，就会在绝缘层附近的半导体层中感应出带正电的空穴，栅极处会积祟带负电的电子。此时在源、漏电极之间再加上一个负电压V DS，就会在源漏电极之间产生电流I DS通过调节V GS和V ns可以调节绝缘层中的电场强度，而随着电场强度的不同，感应电荷的密度也不同。因而，源、漏极之间的导电通道的宽

窄也就不同，进而源、漏极之间的电流也就会改变。由此，通过调节绝缘层中的电场强度就可以达到调节源漏极之间电流的目的。保持V DS不变，当V GS较小时

I DS很小，称为“关”态；当V GS较大时，I DS达到一个饱和值，称为“开”态。

1. 3主要性能指标

对有机半导体层的要求主要有以下几个方面：第一，具有稳定的电化学特性和良好的π共扼体系，只有这样才有利于载流子的传输，获得较高迁移率；第二，本征电导率必须较低，这是为了尽可能降低器件的漏电流，从而提高器件的开关比。此外，OFET半导体材料还应满足下列要求：单分子的最低未占分子轨道(LUMO )或最高已占分子轨道(HOMO)能级有利于电子或空穴注入；固态晶体结构应提供足够分子轨道重叠，保证电荷在相邻分子间迁移时无过高能垒。因此，评价OFET的性能指标主要有迁移率、开—关电流比、阈值电压3个参数。场迁移率是单位电场下电荷载流子的平均漂移速度，它反映了在不同电场下空穴或电子在半导体中的迁移能力；开—关电流比定义为在“开”状态和“关”状态时一的漏电流之比，它反映了在一定栅极电压下器件开关性能的优劣。为了实现商业应用，OFET的迁移率一般要求达到0. O1 cm2 / ( V·s)，开—关比大于10。对于阈值电压，要求尽量低。OFET发展至今，电压由最初的几十甚至上百伏下降到5 V甚至更低。开关电流比由102~103提高到109，器件载流子迁移率也由最初的10-5 cm2 / (V·s)提高到了15.4 cm2/(V •s)。

器件性能通常用输出特性曲线和转移特性曲线来表征。

图4是以聚合物PDTT为半导体材料的顶结构OFET输出特性曲线(a)和转移特性曲线(b)图。从图4 ( a)可以看出漏电流I D在V D绝对值小于20 V范围内随V D绝对值的增大而增大。图4 (b)中，I D随着V G负电压绝对值的增大而增大。最终计算出该器件的迁移率为2. 2x10 3 cm2 / ( V·s)。