有机场效应晶体管和分子电子学研究进展

进展评述

有机场效应晶体管和分子电子学研究进展

吴卫平　徐伟　胡文平　刘云圻3　朱道本33

(中国科学院化学研究所有机固体研究重点实验室　北京　100080)

吴卫平　男,博士生,25岁,现从事分子电子学的研究。　3联系人,E 2mail :liuyq @ 。　33中国科学院院士

国家自然科学基金(90206049,20472089,20421101,20571079,20527001,90401026)和科技部973计划(2001C B610507,2002C B613401)资助项目

2006202223收稿,2006202228接受

摘　要　近几年来,有机场效应晶体管在材料和器件方面都取得了长足的进展,成为分子电子学的一个

重要方向。本文从有机半导体材料设计、有机半导体器件的构筑、单分子电子器件和纳米管在电子器件中的应用等方面,简单综述了有机场效应晶体管和分子电子学的最新研究进展。关键词　有机半导体材料　有机场效应晶体管　迁移率　分子电子学

Progresses in Organic Field E ffect T ransistors and Molecular E lectronics

Wu Weiping ,Xu Wei ,Hu Wenping ,Liu Y unqi 3,Zhu Daoben 33

(K ey Laboratory of Organic S olids ,Institute of Chemistry ,Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100080)

Abstract In the past years ,organic materials have been extensively investigated as an electronic material for organic

field effect transistors (OFETs ).In this paper ,we briefly summarize the current status of organic field effect transistors including materials design ,device physics ,m olecular electronics and the application of carbon nanotubes in m olecular electronics.Future prospects and investigations required to improve the OFET performance are als o inv olved.

K ey w ords Organic semiconductors ,Organic field effect transistors ,M obility ,M olecular electronics

有机场效应晶体管(OFET )是用有机共轭分子作为活性半导体层,以无机或高分子介电物质作绝缘栅,通过栅电压调节开、关状态的一种三端器件。自从1986年第一个有机场效应晶体管问世以来[1],有机场效晶体管以其低成本、柔韧性好、可大面积制备等优点而受到广泛关注,贝尔实验室、I BM 公司等多个研究机构相继投入了研究[2,3]。近几年来,有机场效应晶体管得到了越来越深入的研究,新型有机半导体材料不断出现,器件性能不断改善,有机场效应晶体管成为有机电子学的一个热点。本文结合笔者课题组相关工作,简要综述了有机场效应材料、器件物理和分子电子学方面的最新进展。

1　有机场效应器件物理

111　有机场效应晶体管工作原理

有机场效应晶体管是一种通过绝缘栅电压在半导体2绝缘层界面处形成电荷累积层,由栅电压调节源、漏电极之间的载流子密度而实现开、关状态的器件。当源漏电压V ds =0时,由栅电容诱导的累积电荷均匀分布,当V ds

电极间的电流I ds 为:

I ds =μ[(W ΠL )C i (V gs -V th )V ds -1Π2V ds 2]当V ds >V gs -V th 时,有机场效应晶体管工作在饱和模式下,此时:

I ds=μ(WΠ2L)C i(V gs-V th)2

其中,μ是场效应晶体管的迁移率,W和L分别是沟道宽度和沟道长度,C

i是绝缘栅单位面积的电容。OFET的器件结构和输出曲线和无机M OS晶体管很相似,不同的是,OFET工作时载流子传输机制有所差别,例如对于p型无机半导体,反型时少数载流子堆积在界面,并使p型半导体n型化,而OFET一般

不形成反型层。

112　有机场效应晶体管的主要指标

有机场效应晶体管最重要的参数是迁移率、开关比、阈值电压和亚阈值斜率。迁移率的高低决定了有机器件集成电路的比特速率,为了能够实现商业应用,有机场效应晶体管的迁移率一般要求达到1cm2・V-1・s-1数量级;而对于任何可能的实际应用,一般要求场效应晶体管的迁移率达到0101 cm2・V-1・s-1,开关比大于103[5]。有机场效应晶体管的迁移率和有机半导体分子的结构有关,特别是分子本身的共轭性、分子的聚集态堆积对器件的迁移率有决定性的影响[6]。此外,有机材料的纯度、OFET 的电极接触电阻和温度等对迁移率也有显著的影响[7]。迄今为止,并五苯是综合性能最为理想的有机半导体材料,其薄膜器件的迁移率文献报道最好的高达313cm2・V-1・s-1,开关比大于106,是由3M公司在组装有疏水膦酸单分子的氧化铝表面层沉积并五苯时得到的[8],他们已经将其用于射频标签(RFI D)[9]。

对于数字电路、电子纸和O LE D显示驱动等应用,开关比是一个非常关键的因素[10](例如对于O LE D 驱动,要求迁移率大于1cm2・V-1・s-1,I onΠI off>108,V th接近0V)。为了提高开关比,可以采用的方法主要是提高材料的纯度、改进器件设计和对器件进行后处理(比如退火[11])等。Sirringhaus等[12]和Lin 等[13]分别报道了开关比高达108的基于二连并三噻吩和并五苯的有机场效应晶体管。OFET的阈值电

压V

th取决于有机半导体-绝缘层界面载流子陷阱密度、源电极与漏电极接触的质量等因素,研究表明陷阱密度和材料的纯度、薄膜的有序性关系相当大,最近发现界面偶极层和导电层的修饰对于阈值电压也有显著的影响[14]。

2　有机场效应材料

有机场效应晶体管主要由有机半导体材料、绝缘层、电极等构成,是通过真空镀膜、溶液旋涂、丝网印刷、图案压印等方法制备而成的[15]。多年来科学家一直致力于合成高迁移率和高稳定性的新型有机半导体材料。早期用于OFET的有机半导体材料研究主要集中在噻吩聚合物和齐聚物的研究上,最早的场效应晶体管就是通过噻吩的电化学聚合制备的[1]。后来逐渐发现,基于噻吩、吡咯、咔唑、苯胺、芴、稠环芳烃等单元的共轭结构小分子化合物、齐聚物及其衍生物都可以作为场效应半导体材料。有机小分子作为半导体材料,要求分子具有共轭性,而且分子内骨架原子的共平面性好,以利于堆积,实现分子间电子的迁移。典型的如并五苯,其迁移率可以达到1cm2・V-1・s-1以上。近几年来,高迁移率场效应材料不断出现,Li等[16]以并咔唑为半导体制备的器件的迁移率达到012cm2・V-1・s-1,Merlo等[17]发现二噻吩联蒽的迁移率达到015cm2・V-1・s-1,Naras o等[18]报道了迁移率达0142cm2・V-1・s-1的DN2TTF衍生物。

作为半导体材料,得到电子迁移率达0108cm2・V-1・s-1的OFET。对于n型材料,早期Haddon等[19]用C

60

2001年,Patrick等[20]报道了迁移率达到016cm2・V-1・s-1的　衍生物。2005年,Ando等[21]和Letizia等[22]分别报道了迁移率达013cm2・V-1・s-1和0151cm2・V-1・s-1的氟取代n型材料,最近G undlach等[23]报道了迁移率达016cm2・V-1・s-1的n型材料并且成功将其用于逻辑门,Chesterfield等[24]报道了迁移率高达117cm2・V-1・s-1的　衍生物n型材料,Ando等[25]也报道了迁移率高达1183cm2・V-1・s-1的噻唑联噻吩n 型化合物。另外,有机聚合物材料也是一类重要的有机半导体,相对于小分子而言,有机高分子半导体具有易于制备和分离、可以用旋涂、打印和丝网印刷等溶液方法代替真空蒸镀的方法制备器件的优点而受到关注。一般共轭高分子半导体材料薄膜具有无序度高的多晶结构,载流子主要由高分子链段之间的跳跃(hopping)过程决定,由于聚合物链段的无规缠绕扭折,这类器件的迁移率一般在10-7～10-2数量级之间[26,27]。最近R oy等[28]报道聚合物OFET迁移率已达到10-1cm2・V-1・s-1,但和小分子相比还是差