有机场效应晶体管绝缘层表面修饰的研究.pdf

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1、 I 摘要摘要 在信息化迅猛发展的今天，新型电子产品已经走入人们的视野。超市购物无 需排队；显示器可折叠；智能手机微型化。这些美妙场景预示着晶体管正面临着 一次革命：从传统的无机半导体晶体管向有机场效应晶体管(OFET)过渡。有机 半导体材料与无机半导体材料相比，有突出的优势，其研究正如火如荼。然而， 相对而言，关于 OFET 的界面性质提高方面的研究就比较少。因此，本文内容主 要集中于绝缘层界面修饰对 OFET 器件性能影响的研究，具体研究内容如下： 首先，本文简要介绍了 OFET 的研究进展及热点研究问题，总结了 OFET 的 器件结构及各层材料，并介绍了 OFET 的基本工作原理。论述了

2、有机半导体的导 电类型和电学模型及以此得到的 OFET 主要参数。讨论了半导体生长理论、绝缘 层表面能及粗糙度对器件性能的影响，并以此建立实验的理论依据。 然后，我们制备了高性能 OFET 器件。研究了十八烷基硅烷(OTS)修饰对器 件性能的影响。实验结果表明，在 OTS 修饰 SiO2后，得到的有机半导体的薄膜 有序度更高，表面形貌较为平整，迁移率增大；OTS 优越的绝缘性使得开关比 提高约三个数量级。在此基础上，我们深入研究了快速退火方式对 OFET 性能的 影响，发现在快速方式退火得到的 OTS 薄膜上蒸镀得到的并五苯薄膜有序度大 大提高，而且快速退火方式能够进一步降低表面陷阱密度，故迁

3、移率增大，阈值 电压减小。 我们还选取了三种聚合物(聚甲基丙烯酸甲酯-PMMA、聚苯乙烯-PS、聚 4- 乙烯基苯酚-PVP)修饰 SiO2绝缘层，探讨聚合物修饰对 OFET 性能的影响。实验 结果表明，聚合物修饰后，最大陷阱密度降低，故迁移率增大。聚合物的优越绝 缘性也使得开关比提高到 105106。快速退火方式能够得到最高的有序度和较低 的粗糙度，故可进一步优化并五苯薄膜性质，而且快速退火方式能够进一步降低 表面陷阱密度，减小阈值电压，提高迁移率。同时，我们从偶极内建电场的角度 分析了 PVP 修饰层得到的 OFET 阈值电压最低的原因，推测是 PVP 产生的偶极 电场产生一表面势，降低了

4、 OFET 的阈值电压。 最后，简要总结全文并论述了 OFET 的发展趋势与应用前景。 关键词关键词: 有机场效应晶体管，表面修饰，自组装，聚合物，表面能，粗糙度 有机场效应晶体管，表面修饰，自组装，聚合物，表面能，粗糙度 II Abstract With the rapid development of information technology, displays, electronic paper, RF trademarks and other products have been into peoples vision. Remarkable development of the

5、transistors has been achieved since the past half century. During supermarket shopping, without having to queue, the total amount of the cost can be quickly displayed only by pushing a shopping cart directly and walking through the detector; collapsible displays could be folded at any angle, which g

6、reatly saves space; miniaturized smart phones do carry easily; these wonderful scenes indicate that the transistors are facing another revolution: organic field-effect transistors (OFET) transit from the traditional inorganic semiconductor transistors. The biggest difference between inorganic field-

7、effect transistors and organic field-effect transistors is that the organic transistors adopt organic semiconductors as the active layer material. Compared with inorganic field-effect transistors, organic transistors show prominent advantages, and the research on the OFET is in full swing. The lates

8、t exploration about the novel organic semiconductor materials has made rapid progress. However, relatively speaking, there is only a little bit the research in terms of the interfacial properties of OFET. Therefore, this article is mainly focused on the study of the impact of the OFET insulating lay

9、er, that is to say, the interface modification, on the device performance. Specific studies are as follows: First, the article briefly described the progress and the significance of the research, the OFET applications and current research hotspots. The device structures, the organic semiconductor ma

10、terials, the electrode materials, and the insulating layer materials were summarized. Then, the basic working principle of the OFET was introduced. The conductivity type of the organic semiconductor, the electrical model and corresponding main parameters of the OFET were expounded further. Moreover,

11、 semiconductor growth theory, the effect of the surface energy and the roughness of the insulation layer on the device performance were exhibited, which was used for the theoretical basis of the experiment. Then, we fabricated high-performance OFET devices and the effect of the III OTS-modified laye

12、r on the device performance was studied. Experimental results showed that the modification with OTS resulted in a higher degree of ordering of the organic semiconductor thin film, and flatter surface morphology, and thus the mobility rate increased a lot. The superior insulating properties of OTS la

13、yer lead to the increase of the switching ratio by about three orders of magnitude. We also had depth study of the influence of the fast annealing way on the OFET performance, and found that quality of the pentacene thin film could be greatly improved by adopting fast way of annealing, and fast anne

14、aling method would further reduce surface trap density, so the mobility increased, while the threshold voltage decreased. We also selected three polymers (PMMA, PS, PVP) to modify SiO2 insulating layer. The experimental results showed that after the modification by polymers, orderly and surface morp

15、hology of the organic semiconductor thin film had not been significantly improved, so we calculated the maximum trap density of various insulating layer, which presented that maximum trap densities were reduced by polymer modification, and thus the mobility increased a lot. Polymers superior insulat

16、ion also made the on/off rations raise up to about 106. Furthermore, fast annealing method was possible to obtain the highest degree of order and lowest roughness, and therefore the pentacene film properties could be further optimized. So, fast annealing method was possible to further reduce the den

17、sity of the surface trap, decrease the threshold voltage, and finally improve mobility. Meanwhile, from the aspect of the dipole electric field, the analysis about the reason why PVP modified layer obtained OFET lowest threshold voltage was conducted. It was speculated the PVP dipole electric field

18、generated a surface potential, whose effect was equivalent to apply a negative gate voltage to the gate, so the threshold voltage decreased. Finally, we summarized this paper work, and, combining with the current research progress discussed the OFET development trends and prospects. Key words: organ

19、ic field-effect transistor (OFET), surface modification, self-assembled monolayer, polymer, surface energy, roughness IV 目录目录 第一章 绪论 1 1.1 引言1 1.2 OFET 的研究进展及研究意义2 1.3 OFET 目前存在的问题和发展方向4 1.4 本论文的主要工作5 第二章 有机场效应晶体管简介.6 2.1 有机场效应晶体管的结构6 2.2 OFET 材料7 2.2.1 衬底材料.7 2.2.2 电极材料.8 2.2.3 绝缘层材料.8 2.2.4 半导体材料.

20、9 2.3 OFET 工作原理11 2.4 OFET 参数及其获取13 2.5 有机半导体的导电机制及电学模型15 2.5.1 有机半导体导电机制.15 2.5.2 电学模型17 2.6 半导体薄膜生长过程与生长模式19 2.7 本章小结.20 第三章 栅绝缘层表面能及粗糙度对器件性能影响的研究.21 3.1 栅绝缘层表面影响 OFET 迁移率的主要参数21 3.1.1 栅绝缘层表面粗糙度.21 3.1.2 栅绝缘层表面能.23 3.2 绝缘层表面修饰的方法25 3.2.1 自组装单层修饰.25 3.2.2 聚合物修饰.30 3.4 本章小结33 第四章 自组装单层修饰对 OFET 性能影响的

21、研究.34 4.1 引言34 4.2 基于 SAM 修饰层的 OFET 的制备及性能表征35 4.2.1 实验方案设计35 4.2.2 工艺流程35 4.2.3 性能表征.36 4.3 SAM 退火方式对 OFET 性能的影响.37 4.4 实验结果分析与讨论38 4.5 本章小结42 第五章 聚合物修饰对 OFET 性能影响的研究.43 5.1 引言43 5.2 基于绝缘层修饰层的 OFET 的制备及性能表征.43 5.2.1 实验方案设计43 5.2.2 工艺流程43 5.2.3 性能表征44 V 5.3 聚合物退火方式对 OFET 性能的影响45 5.4 实验结果分析与讨论46 5.5

22、本章小结.50 第六章 全文总结和展望.51 6.1 全文总结51 6.2 展望52 参考文献 53 附录 1 攻读硕士学位期间撰写的论文60 附录 2 攻读硕士学位期间参加的科研项目61 致 谢 62 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言引言 自 20 世纪 50 年代以来，信息技术高速发展。微电子技术作为信息技术的基 石给人们留下了深刻的印象。 一代又一代集成电路芯片不断突破， 向着更高性能、 更廉价的方向发展，使得电子产品在各行各业中扮演着举足轻重的作用，不断改 变着人们的生活工作方式。特别是互联网的普及，使信息技术得到飞速发展，

23、人 类已进入信息时代。 晶体管是电子器件中的核心元件之一， 其场效应控制电流的概念可追溯到 20 世纪 30 年代1。最初的设想是在放大器中，用固态器件代替真空管。直到 30 多 年后，第一个晶体管器件，也就是基于硅基的金属氧化物半导体场效应晶体管 （MOSFET）2，才真正问世。现如今，MOSFET 无处不在，Pad 或其他电子产 品处理器中已集成数以百万甚至数以亿计的晶体管。 电场诱导效应通常用于低迁 移率的材料，如氢化的无定型硅（a-Si:H） ，与此对应的另一种结构是薄膜晶体 管（TFT）3。MOSFET 的导电沟道是由反型层形成，而 TFT 的导电沟道则是由 堆积层形成。之后，为满足

24、大面积生产的需求，a-Si:H TFT 迅猛发展，在有源液 晶显示（AMLCD）中已得到广泛应用。 但是现代微电子技术是建立在硅(Si)、 锗(Ge)及砷化嫁(GaAs)等无机半导体材 料的基础上，部分低端应用以非晶硅(a-Si)、多晶硅(p-Si)材料为基础。这些器件 的制备一般采用半导体技术及光刻工艺，工艺十分复杂，制作成本昂贵，对环境 要求苛刻，不适宜大面积生产。为了解决这一问题，近几十年来经过大量材料和 器件研究人员的不断努力，提出了一种新颖的、低成本制备的电子器件。这一类 器件工作的媒介不是上面所提到的无机半导体材料， 而是基于有机材料的有机场 效应晶体管(OFET)。有机半导体发现

25、于 20 世纪 40 年代4，但是，之后仅有少量 的关于共轭小分子和聚合物的基础研究5-7， 直至 1986 年第一个基于聚噻吩半导 体的晶体管才得到报道8。聚噻吩是一种发现于 20 世纪 70 年代的有机导电聚合 物9，第一个晶体管就是通过电化学生长聚噻吩薄膜的方法制备得到，但不具有 大面积生产的优势。随后，1988 年报道了以可溶性聚噻吩通过溶液法制备 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第一章 绪论 2 OFET10，向人们展示了基于有机材料的晶体管的廉价制备优势。1989 年，利用 六噻吩成功制备出有机小分子晶体管11。2000 年，Alan J. Heeger，Alan G. M

26、acDiarmid，Hideki Shirakawa 等人因发现导电聚合物的原型聚乙炔而获得诺贝 尔化学奖。 有机电子产业中无源矩阵有机发光显示器(PMOLED)已进入商业化阶段， 2000 年 11 月，第一家专门制备和研究有机逻辑器件的商业化公司 Plastic Lgoic 成立，三星、索尼、IBM 等世界知名公司已投入大量资金用于有机材料与器件 的研究与开发。2009 年，亚利桑那州州立大学柔性显示器中心(FDC)宣布一项突 破性的柔性显示器技术在柔性基板开发世界第一个触摸屏主动矩阵显示器， 这个 革命性的显示器是第一次展示了柔性电子显示器能够实现即时输入；LG 等显示 器厂商已展示出柔

27、性显示屏。同时，作为电路中的基本单元，有机场效应晶体管 具有柔性、 低成本、 可大面积生产等优势， 已在得到广泛关注并取得长足的发展。 有机电子器件的制备工艺简单， 成本仅为硅芯片的 1%10%， 可大面积批量制备， 完全满足低端电子产品产业化的要求，相信在不久的将来，有机电子产业将成为 电子市场上的有力竞争者。 1.2 OFET 的研究进展及研究意义的研究进展及研究意义 由于 OFET 固有的一系列优点，具有非常可观的应用前景，可以被应用于许 多的领域。 （1）液晶显示（LCD） 目前，场效应晶体管多用于有源液晶显示（AMLCD） 。尽管当前 LCD 采用 无定型或多晶型的硅基 FET 作为

28、寻址器件，但由于 OFET 具备潜在的柔性显示 的应用前景，所以 OFET 也正被尝试用于 LCD。一些研究小组已经报道了基于 并五苯 OFET 的 LCD，OFET 驱动的全彩 LCD 也已成功实现12-15。实际应用难 以实现主要是受晶体管面积所限，另外，有机活性层沉积后的恶化也进一步加大 了难度。前者要求采用底接触结构的 OFET，这样才能有利于在实际生产中制备 短沟道器件（5m） ，这样对制备工艺提出更高的要求，器件的性能很大程度 上依赖于制备工艺。Nomoto 等人14以 Ti 粘合层对源漏电极接触电阻进行了优 化；另外，Kawasaki 等人15研究了电极结构对并五苯薄膜结构的影响

29、，并改进 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3 光刻术以此减小电极接触电阻。后者要求在有机层上需覆盖一层钝化层，保护有 机活性层。 （2）有机发光器件（OLED） 与 LCD 不同的是，OLED 为自发光器件，很可能成为下一代平板显示技术。 与 OFET 类似， OLED 的活性层也是通过热蒸镀或溶液加工法制备， 因此， OLED 同样可用于柔性显示。在有源显示中，OLED 中一个像素点需要两个或更多的晶 体管驱动。尽管目前采用多晶型和无定形的晶体管为主，但由于 OFET 自身的优 势，正得到越来越多的关注。与无定形硅晶体管相比，OFET 具有与其可比或更 高的场效应迁移率

30、，所以 OFET 可成为 OLED 的驱动晶体管。以 OFET 驱动的 OLED 器件已有报道，Ohta 等人16和 Zhou 等人17分别在玻璃衬底上制备得到 8 8 和 4848 的像素阵列。最近，Zhou 等人18在柔性 PET 衬底上制得 4848 OLED 像素阵列，Mizukami 等人19在 PEN 衬底上制得 1616 OLED 像素阵列。 （3）互补金属氧化物半导体（CMOS）电路 互补金属氧化物半导体（CMOS）电路本质上是一种低功耗的数字电路。传 统的 CMOS反向器由p沟道和n沟道的MOSFET组成。 OFET同样可用于 CMOS 电路。一种常见的有机 CMOS 单元，

31、通常由并五苯 OFET 作为 p 型 OFET，以高 迁移率的 n 型材料， 比如噻唑低聚物20， 苝衍生物21及 C6022等制备得到的 OFET 作为 n 型 OFET，构成有机 CMOS 反向器。2000 年，Bell 实验室23用 864 个有 机晶体管制得的大规模集成互补 CMOS 电路，振荡器频率高达 10kHz，是目前 所报道的基于有机半导体的环形振荡器的最高频率。 （4）其他 除上述应用外，有机场效应晶体管可应用在电子标签、有机激光及传感器领 域24。在现在的生活中，激光器作为信息技术的载体有着非常重要的作用。以 无机半导体为主体的激光器已经在许多的领域得到了广泛的应用， 随着

32、社会的需 求和研究的进展，有机半导体激光器的也将会受到人们更多的关注。有机半导体 直接与气体分子进行选择性的反应，然后通过对晶体管电流-电压特性参数变化 来对气体进行定性和定量分析，Bouvet 等人利用有机场效应晶体管作为气体传 感器检测大气中的臭氧浓度，在室温下有较好的灵敏度和非常低的检测范围。场 效应管也可以用作为敏感器件来检测溶液中的离子。另外，OFET 也可用于超导 材料的制备25。这些新的研究成果都大大拓展了 OFET 的应用领域。 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第一章 绪论 4 1.3 OFET 目前存在的问题和发展方向目前存在的问题和发展方向 制备性能优越、稳定且廉价

33、的 OFET 是该研究领域的目标。目前，OFET 的 性能已接近或超过非晶硅晶体管。OFET 在集成电路、传感、显示等领域的研究 也取得了很大的进展，但要实现大规模生产化应用，还有很多问题需要解决。关 于 OFET 最近的研究热点有以下几方面： （a）制备工艺的优化 优化 OFET 的制备工艺可提高器件的性能。比如，改善薄膜沉积条件，修饰 绝缘层/有机半导体层界面和（或）电极/有机半导体层界面，可大大提高器件的 性能26-28。优化器件结构亦可在不改变有机半导体的情况下提高器件性能。 （b）分子设计 设计并合成新型有机半导体或将已有的但之前未用于OFET的有机半导体应 用于有机晶体管是当前的研

34、究热点之一29-31。 有机半导体优越性可通过器件的迁 移率、稳定性及制备工艺的代价这三方面评价。 （c）制备柔性 OFET 柔性是 OFET 相比于无机晶体管最大的优势， 所以制备柔性器件是有机电子 领域的最终目标27-32-33。器件的所有组成部分，包括电极、有机半导体、绝缘层、 衬底均可以柔性低价的材料制备。 （d）载流子的传输理论 尽管大部分研究人员认为 Horowitz 的小极化子模型能够比较好地解释有机 材料中载流子传输，但是这方面的争论还比较多，有机单晶中库仑阻塞传输理论 和无序晶体中的定域和无序态 Gaussian 分布间跃迁理论也被认为是可能的传输 理论。同样，以能带理论为基

35、础的多重捕获和释放模式(MTR)也被应用到有机半 导体中。 总的来说， 摆在面前的问题还有很多， 这些问题有待于更加深入的研究。 （e）OFET 的应用 有机场效应晶体管发展至今， 已经取得了很大的进展， 在有源矩阵显示34-35、 (b)电子标签36-37、(c)柔性电路38-39、(d)传感器40-41、(e)电子纸42-43、(f)柔性存 储44-45等方面已实现初步应用，如图 1.1 所示。但目前仍存在着很多问题，如迁 移率偏低、工作电压过高、稳定性难以保证等。所以，仍需要从器件结构、材料 等方面进一步进行优化，以实现实际应用需要的高性能且稳定的 OFET。 南京邮电大学专业学位硕士研

36、究生学位论文 第一章 绪论 5 图 1.1 有机场效应晶体管应用： （a）有源矩阵驱动电路、 （b）电子标签、 （c）柔性电 路、 （d）传感器、 （e）电子纸、 （f）柔性存储 1.4 本论文的主要工作本论文的主要工作 针对目前 OFET 研究中存在的一些问题， 本论文主要从性能提高的角度研究 OFET。结合实验室已有的条件，通过大量的文献调研，选择高迁移率的小分子 有机材料并五苯作为半导体，并采用底栅顶接触结构，制备了 OFET。在此基础 上，通过选用不同的修饰层材料，优化的制备工艺，进一步提高晶体管的性能， 为 OFET 的应用打下良好的基础。主要研究工作如下： (1) 以底栅顶接触结构

37、为器件的基本结构，选择高迁移率的并五苯作为有机 半导体材料，并用具有较高功函数的金作为电极材料，重掺杂的硅作为栅电极， 热氧化生成 SiO2为绝缘层，制备 OFET 器件。 (2) 论述了影响 OFET 性能的两个主要因素：绝缘层的粗糙度和表面能。通 常，在低粗糙度和低表面能的绝缘层上制备得到的 OFET 性能较高。同时。阐明 了绝缘层表面修饰的两个方法：自组装单层（SAM）修饰和聚合物修饰。 (3) 选择空气中比较稳定的自组装单层 OTS 作为 SiO2绝缘层的修饰层，制 备了 OFET 器件，比较修饰前后器件性能的变化。结合表面能测量、AFM、XRD 等表征结果，从有机半导体薄膜的形貌及结

38、构的角度，分析产生此变化的原因。 (4) 采用不同的退火方式对 OTS 进行退火，研究其对器件性能有哪些影响， 类似地，从有机半导体薄膜的形貌及结构的角度，分析产生此影响的原因。 (5) 选择常用的易溶解且成膜性好的聚合物作为 SiO2绝缘层的修饰层，制备 OFET 器件，比较修饰前后器件性能的变化。亦采用不同的退火方式对聚合物进 行退火，研究其对器件性能有哪些影响。 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第二章 有机场效应晶体管简介 6 第二章第二章 有机场效应晶体管简介有机场效应晶体管简介 2.1 有机场效应晶体管的结构有机场效应晶体管的结构 如图 2.1（a-b）所示，根据源漏电极和有

39、机半导体的制备顺序，OFET 可分 为顶接触结构和底接触结构。对于顶接触结构的器件，有机半导体层位于绝缘层 表面，源漏电极再通过合适的掩模板沉积到有机半导体层上。此结构可获得较好 的电极/有机半导体层接触界面，因而可获得较好的性能。对于底接触结构的器 件，源漏电极可采用光刻技术制得，与顶接触结构器件相比，此结构更适合实际 应用。但由于这种结构的器件的界面接触不佳，因此性能难以提高。 图 2.1 典型 OFET 结构： （a）底栅顶接触结构； （b）底栅顶接触结构； （c）顶栅顶接 触结构； （d）顶栅底接触结构 上述两种结构都是在有机半导体沉积前制备栅电极，亦即都是底栅结构，目 前大多数器件均

40、采用这种结构。与此对应，在器件制备过程中最后制备栅电极， 即可得到顶栅型结构的器件，如图 2.1（c-d）所示。底栅结构的优点是便于和传 统硅工艺技术相结合，容易获得好的衬底和高质量的电介质层，使得器件的制备 工艺简单，易形成有机与无机相结合的器件。其不足之处在于为源漏电极的制备 增加了困难，沟道长度的控制受到材料和表面的影响。顶栅型器件首先制备了源 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第二章 有机场效应晶体管简介 7 漏电极，其优点是栅极可起到封装的效果，有机半导体层可有效的得到保护。因 此沟道长度和宽度的设计可采用目前比较成熟的光刻工艺和掩模工艺来制备， 可 以得到较高精度的沟道宽度和

41、长度，也可得到较短的、精确的沟道长度，有利于 低迁移率材料得到较大的沟道电流。 其结构不足之处在于要在有机半导体层上制 备电介质层和栅电极，这两层的制备对有机半导体材料是一个极大的考验。特别 是电介质层，如采用有机电介质和旋涂工艺，要考虑避免溶剂与有机半导体材料 的相溶性;对于无机电介质层，其制备工艺通常为氧化和等离子汽相淀积，均需 较高的工艺温度，这对有机半导体层是一个很大的破坏。所以这种结构多用于高 温且稳定的有机半导体材料中，电介质一般也采用溶液旋涂工艺。对于单晶 OFET，顶栅结构可得到很好的绝缘层/单晶接触界面。 2.2 OFET 材料材料 有机场效应晶体管结构中包含不同的功能材料：

42、衬底（栅电极） 、栅绝缘层、 源漏电极及有机半导体材料。接下来主要介绍衬底、电极、栅绝缘层和半导体有 源层材料，它们对 OFET 的性能有着非常重要的影响。 2.2.1 衬底材料 玻璃，硅片，石英，聚碳酸酯（PC） ，聚乙烯萘（PEN） ，聚酰亚胺（PI） ， 聚乙烯（PET）等可用作 OFET 的衬底材料。无机衬底具有熔点高，表面光滑等 优点，比如玻璃，硅片和石英。聚合物衬底虽然表面粗糙，但这些材料的突出优 点是柔性可弯曲，比如 PEN，PET。硅片既可作衬底，在表面掺杂后亦可作栅电 极。常见的沉底材料实物图如图 2.2 所示。需要注意的是，在薄膜沉积前须清洗 衬底，去除表面杂质。 图 2.

43、2 常用的 OFET 沉底材料实物图： （a）硅片； （b）PET； （c）PI 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第二章 有机场效应晶体管简介 8 2.2.2 电极材料 电极是 OFET 中另一个重要的组成部分。 在有机半导体/金属界面处， 一般认 为当界面势垒高度E0.4 eV 时，金属电极与有机半导体层之间能形成欧姆接 触。如果接触势垒很大，金属/有机半导体之间的接触称为肖特基接触。通常要 求电极材料与半导体材料有良好的接触， 并具有合适的能级匹配， 势垒尽可能低， 这样有利于载流子的有效注入。 通常认为载流子注入是电子和空穴分别向有机层 的最低未占有分子轨道（LUMO）能级和最高

44、已占有分子轨道（HOMO）能级注 入。对于 p 型 OFET，HOMO 能级处于-4.9 eV 到-5.5 eV 之间，需选用功函数较 高的材料，常用的有 Au（-4.8 eV-5.1eV） 、ITO（-5.1 eV）和 Pt（-5.6 eV）等。 对于 n 型 OFET，LUMO 能级通常处于-3 eV 到-4 eV 之间，需选用功函数较低的 材料，常用的有 Al（-4.2 eV） 、Ca（-2.8 eV）等。金属通常采用蒸镀的方法制备 得到。目前，基于喷墨打印 PEDOT 或石墨作为源漏电极的研究也得到了长足的 进展46-48。 2.2.3 绝缘层材料 为保证栅电极与有机半导体间的栅极漏电

45、流较小， 要求绝缘层材料具有较高 的电阻，亦即要求具有很好的绝缘性；为保证沟道中电流较大，需要绝缘层具有 尽可能高的电容，高电容的绝缘层同样可降低工作电压。 表 2.1 列举出常用的绝缘层材料。目前常用的绝缘层材料有 SiO2、Ta2O5、 Al2O3、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA） 、聚酰亚胺（PI） 、聚乙烯吡咯烷酮（PVP） 、 聚苯乙烯（PS） 、苯并环丁烯(BCB)、聚乙烯醇(PVA)、聚酰亚胺（PI） 、聚四氟 乙烯(PTFE)等。通常情况下，无机薄膜采用化学或物理气相沉积法制备，有耐高 温、化学性质稳定、不易被击穿等优点，然而固相高温和非柔性加工将限制了它 将来在晶体管微型化、大面

46、积柔性显示、大规模集成电路、低成本溶液加工生产 中的应用。有机薄膜采用旋涂法制备，由于与柔性基底有很好的相容性，将来可 应用于低成本的低温、溶液加工，所以深受关注。另外，绝缘层与半导体层之间 的界面性质对载流子传输起着关键性作用，通过自组装单层或多层修饰界面后， 可提高器件性能。 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第二章 有机场效应晶体管简介 9 表 2.1 OFET 常用绝缘层材料 绝缘层材料 介电常数 制备方法 SiO2 3.9 热生长 Ta2O5 26 溅射 Al2O3 9 溅射 PMMA 2.54.5 旋涂 PI 2.63.3 旋涂 PVP 3.1 旋涂 PS 23 旋涂 PVD

47、F 12 旋涂 P(VDF-TrFE) 40 旋涂 PTFE 1.9 旋涂 2.2.4 半导体材料 目前，有机半导体材料主要分为小分子及聚合物两大类。从沟道载流子角度 区分，有机半导体可分为 p 型半导体和 n 型半导体。p 型半导体中多数载流子为 空穴，n 型半导体中多数载流子为电子。n 型半导体和 p 型半导体分别由电子亲 和势及电离电势区分。多数的有机半导体为 p 型的，这是因为 p 型半导体在空气 中相对稳定，迁移率比较高。而 n 型半导体易受空气和湿气的影响，在工作时有 机阴离子，特别是碳负离子，会与氧气或水气反应。n 型半导体的迁移率相对较 低，但 n 型 OFET 作为有机电子中

48、不可或缺的基本元件之一，同样得到了深入研 究并已取得很大的发展。 对于 p 型 OFET 中，源电极接地，通过栅极加负电压后，在电场作用下半导 体的 HOMO 和 LUMO 能级向上弯曲，降低空穴注入势垒，在半导体内产生诱导 空穴。漏电压加载后可诱导空穴产生移动，从而输出电流。p 型半导体除了必需 的稳定性外，还要具备以下几个条件： （1）HOMO 能级较高，有利于和电极形 成欧姆接触，以便空穴顺利注入； （2）具有较强的给电子能力。广泛研究的材料 包括，如图 2.3 所示：稠环芳香烃，如并五苯（pentacene） 、红荧烯（rubrene） ； 聚合物，如聚（3-己基噻吩） （P3HT）

49、；噻吩齐聚物，如六噻吩（6T） ；钛菁类金 属化合物，如钛菁铜（CuPc） 。 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第二章 有机场效应晶体管简介 10 图 2.3 常见 p 型有机半导体材料 对于 n 型 OFET 中，同样将源电极接地，通过栅极加正电压后，在电场作用 下半导体的 HOMO 和 LUMO 能级向下弯曲，降低电子注入势垒，在半导体内产 生诱导电子。漏电压加载后可是诱导电子产生移动，从而输出电流。与 p 型半导 体相反，OFET 中的 n 型半导体必须是较好的电子受体，同时 LUMO 能级要与 电极匹配，有利于和电极形成欧姆接触，以便电子顺利注入和传输。n 型 OFET 的场效应性能及稳定性都不及 p 型 OFET，发展相对较慢，其原因主要有： （1） n 型半导体中载流子迁移率低于 p 型半导体；