于鵬飛

摘 要：有機場效應管（OFET， organic field-effect transistors）以其在傳感器、平板顯示及集成電路等領域具有巨大的潛力，得到了各界的關注。本文概述了制備有機場效應晶體管的材料，以及目前主要的器件制備技術，并簡要說明了有機場效應晶體管在各領域中應用和相關的特性研究。

關鍵詞：有機場效應管，OFET，有機材料

0 引言

有機場效應管是一種傳輸層使用有機半導體材料的薄膜場效應管。與無機場效應管相同，它是組成集成電路最基本的元件，并隨著其在有機電發(fā)光式柔性顯示器、集成電路以及各種智能卡等領域具有廣闊的應用前景，有機場效應管已經(jīng)取得了極大的進展[1]。

自1986年Tsumura等人首次以有機半導體材料作為有源層制備得到有機場效應管以來，其研究得到迅猛的發(fā)展，并且實現(xiàn)了眾多突破。當前，有機場效應管的載流子遷移率和電流開關比已經(jīng)與無機場效應管相媲美；高介電常數(shù)的有機絕緣體材料也為其制備奠定堅實基礎；有機場效應管制備技術也向工藝簡化、降低成本方向發(fā)展[2]。本文綜述了有機場效應管的設計、制備、以及特性研究的最新進展。

1 有機場效應管的半導體材料

1.1 有源層材料

有機場效應管的有源層材料分為p型和n型材料，但是因為其分類不涉及摻雜，因此有別于無機材料的定義。有機中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材料的性質有關，其一是材料本身的最高占據(jù)分子軌道能級（HOMO ，Highest Occupied Molecular Orbital）和最低未占據(jù)分子軌道能級（LUMO， Lowest Unoccupied Molecular Orbital）關系，其二是材料的π鍵共軛體系。

1.2 介質層材料

有機場效應管是電壓控制型器件，其結構與于平行板電容器相似，因此絕緣層的優(yōu)劣對整個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，其次應具有較好的熱和化學阻抗以及高擊穿電壓等。當前有機場效應管的絕緣材料包括有機材料和無機材料。無機絕緣材料有二氧化硅（SiO2 ）、氮硅化物等。絕緣效果較好的有機聚合物包括聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯等。

1.3 電極材料

有機場效應管的電極材料的選擇對器件的性能至關重要。在理論上，其要求是與有機材料形成歐姆接觸，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。當使用p型材料時，因為載流子在能帶的HOMO能級上傳輸，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型有機半導體時，由于在較低能級的LUMO能級上傳輸載流子，故需要低功函數(shù)的電極，例如鋁（Al）、銀（Ag）等。

2 有機場效應管的制備

有機場效應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。本文簡要介紹真空鍍膜和溶液鍍膜技術。

2.1 真空鍍膜

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

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

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)點是不需要高的沉積溫度，而且內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，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，印章技術等。

3 有機場效應管的應用與特性研究

3.1 有機場效應管的應用

有機場效應管因為其材料的特殊型和其具有的獨特的電學性質，在越來越多的方面有巨大的應用前景。例如有機場效應管應用于氣體檢測已有報道；利用在有機導電層產(chǎn)生電荷載流子這一結構可以研究高度有序的有機材料的超導性；全有機顯示屏和柔性顯示屏使用有機場效應管作為驅動部分；利用有機場效應晶體管第一次實現(xiàn)產(chǎn)生有機激光等[3]。

3.2 有機場效應管的特性研究

有機場效應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效應管相似，即在通常情況下，先將場效應管的S極接地。當G極和S極之間的無電壓時，場效應管處于“關”狀態(tài)，其中沒有電流通過；當G極和S極之間加上電壓時，G極和有機層相對的兩個面上就要被充電，場效應管處于“開”狀態(tài)，在溝道中就有電流通過。其輸入輸出特性曲線如圖3所示。有機場效應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體層中的感應電荷密度的大小，也就是影響著DS極之間的導電溝道的寬窄。載流子遷移率和電流開關比是表征有機場效應晶體管器件性能的主要參數(shù)。載流子遷移率定量的說就是單位電場下載流子的獲得的速度。其有效描述了在溝道中有機場效應管的有源層內的載流子的運動情況。電流開關比是指有機場效應管處于“開態(tài)”和“關態(tài)”時，源漏電流的比值，其直接反映了器件開關性能的好壞。

4 總結

本文首先簡要介紹了有機場效應管的分類與發(fā)展，主要討論與研究了有機場效應管件的有機半導體材料、柵絕緣層材料和電極材料，然后闡述了有機場效應管的制備方法、基本結構以及工作原理。

參考文獻

[1]王登攀. 有機場效應晶體管研究與應用展望[D]. 吉林大學， 2005.

[2]冷華星. 有機場效應管制備與研究[D]. 江南大學， 2014.