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VGS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VDS，就会在源漏电极之间产生电流IDS通过调节VGS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VDS不变，当VGS较小时IDS很小，称为“关”态；当VGS较大时，IDS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ID在VD绝对值小于20 V范围内随VD绝对值的增大而增大。图4 (b)中，ID随着VG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)。

图4顶结构OFET输出特性曲线及转移特性曲线图

2有机半导体材料

目前研究较多的是单极性有机场效应晶体管，根据有机半导体层材料的不同可将其分为p型材料和n型材料两大类。 2.1 p-沟道有机半导体材料

p型半导体材料又称空穴型半导体材料，即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体材料，p型有机材料又分为p型高聚物、p型低聚物、p型小分子3类。常见的p型有机半导体材料结构见图5。

图 5典型 p 型有机半导体材料化学结构

2.1.1 p沟道高聚物

高分子聚合物(如烷基取代的聚噻吩等)优势在于可使用涂膜甩膜、LB膜等方法制备。这些制备方法优点是工艺简单、成木低廉，缺点是有机材料难于提纯且有序度较低，从而导致了高分子材料较低的迁移率。聚噻吩( PTh)经过真空干燥后作为活性材料空穴迁移率为0. 25 cm2 / ( V·S)。基于噻吩的聚合物，poly (3-hexylthiophene) (P3HT)被广泛的研究。烷基可以通过头-尾(H-T)相连和头-头(H-H)相连两种方式被引入聚噻吩链。引入烷基的聚噻吩链与基底接触展不了高度有序的自适应薄膜结构。经H-T方式引入烷基的P3HT迁移率接近0. 2 cm2 / ( V ? s)，开关电流比接近106。使用LB成膜技术的P3HT迁移率为0.02cm2 / ( V?s)。 Takashi Kushida等人对(P3HT)材料做了进一步的研究，他们通过旋涂的方法制成的OFET迁移率仅有1. 3x10-4cm2 / ( V·s)，通过改变成膜方法，采用微接触打印技术之后，得到1. 6x10-2 cm2 /(V?s)的迁移率，比旋涂成膜方法提高了两个数量级。性能的提高归因于微接触打印方法生成的P3HT薄膜表面高度有序，有利于载流子的横向传输。

2.1.2 p-沟道低聚物

常见的低聚物有噻嗯齐聚物和噻吩齐聚物等，与高分子聚合物相比，低聚物用于OFET有许多优点，如可通过调整分子的结构和长度来控制载流子的传输等。相关报道表明，星形低聚噻吩迁移率为2x10-4 cm2 / ( V?s)，开关电流比达到102。一系列星形低聚噻吩衍生物也可作为OFET材料。如通过氯仿溶液旋涂得到薄膜，场迁移率达到1.03x10-3cm2/ (V?s)，开关电流比103。以三基化胺为中心以π共扼噻吩为分支的混合材料也被合成出来，其空穴迁移率为0. 011 cm2 / ( V?s)。 2.1.3 p-沟道小分子

有机小分子拥有聚合物无法比拟的优点：易于提纯，减少杂质对晶体完整性的破坏，达到器件所要求的纯度；一定的平面结构大大降低了分子势垒，有利于载流子高速迁移；易形成自组装多晶膜，降低晶格缺陷，提高有效重叠；较容易得到单晶，极大地提高了场效应迁移率。金属酞菁小分子因具有以上优点而被广泛研究，近几年取得了很大进展。2005年Yasuda等用Ca做电极制备的CuPc(酞菁铜)FET显示出电子和空穴两种载流子传输性质。2007年Opitz等人又提出用酞菁铜和富勒烯混合膜制备OFET的思想，并讨论了两种化合物不同的混合比率所对应的各种迁移率和阈值电压。利用5，50-bis-( 7-dodecyl-9H-fluoren-2-yl ) -2，20-hithiophene(DDFTTF)作为活性材料制成的OTFT器件空穴迁移率为0. 11 cm2 / ( V ? s)，开关电流比为3. 1x106cm2 / ( V ? s)，具有很高的灵敏度，可用于传感器材料研究。晶态并苯化合物的禁带宽度随着芳环数目的增加而降低，有很强的电荷注入能力，表现出很高的载流子迁移率。载流子的传输效率随着分子的有序调整或者晶体取向的改善而提高。并苯小分子表现出很好的性能也一直是研究的热点，尤其是并五苯材料。2008年中科院化学所采用20 nm厚的聚乙烯基咔唑( PVK)薄膜作为缓冲层，修饰并五苯与SiO2：的界面，制备了并五苯OFETs。结果表明，PVK缓冲层的加入明显提高了器件迁移率和开关比(迁移率约为0. 5 cm2 / ( V?s)，开关比约为107；同时显著降低了器件的夹断电压(器件的夹断电压的绝对值都小于20v)。不过有机小分子溶液粘度太低，难于用溶液法加工成膜，且多数有机小分子半导体对环境较敏感。Raphael等人研究了dithiophene}etrathiafulvalene( DT-TTF)单晶材料的性能，分别制作了以DT-TTF为有机半导体材料的顶接触和底接触OFET两种器件结构。对比发现顶接触结构

的性能优于底接触器件结构，研究结果符合晶体形态学。 2. 2 n-沟道有机半导体材料

n沟道有机半导体材料也可称为电子型半导体。n型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。第一个n型OFET在1990年被报道。它采用双酞菁铬为场效应材料，但器件性能一般，载流子迁移率为2x10-4cm2 / ( V·s)。n型有机半导体材料对氧和湿度较敏感，尤其是有机阴离子(特别是碳阴离子)很容易和氧发生反应，从而造成场效应迁移率低和晶体管工作性能不稳定。正因如此，n型有机场效应材料在数目上大大少于p型有机场效应材料。因此才找高性能，高稳定度的n型有机半导体材料已经成为了一项具有挑战性的工作。n型有机半导体材料也分为n型高聚物、n型低聚物、n型小分子3类。 2. 2.1 n沟道高聚物

n型高聚物所表现的性能参数并不是很理想，因此对其研究的相关报道很少。梯形聚合物BBL，经路易斯酸AlCl3或GaCl3掺杂后迁移率达到0. 06cm2/(v·s)。PCBM 和 PCBM 与 P3HT 的混合物( 1∶ 2)作为太阳能电池材料而被广泛研究，在室温下的电子迁移率分别为10-3cm2/ (V·s)和10-4cm2/(v·s)。 2. 2. 2 n沟道低聚物

第一个n型低聚物OFET是由全氟烷基低聚噻吩衍生物DFH-6T制备的，在真空条件下其载流子迁移率达0. 24 cm2 / ( V·s)。同时，该小组设计并合成了全氟芳基低聚噻吩F一衍生物，在溶液加工条件下制备的OFET室温时载流子迁移率达0. 08 cm2 / ( V ? s)。这些低聚物表现出独特的填充特性，通过溶液处理的低聚物为高度有序的薄膜表现出单晶形态特性。2005年，Yoon等人合成了含有碳基的n-沟道低聚噻吩。例如DFHCO-4TCO，迁移率大致为0. O1 cm2 / ( V·s)，而通过真空蒸镀成膜DFHCO-4T，电子迁移率达0. 6 cm2 / ( V·s)。溶液旋涂发成膜的DFPCO-4T，也达到0. 24 cm2 / ( V ? s)的电子迁移率。 2. 2. 3 n-沟道小分子

n沟道小分子的研究主要集中在并五苯，萘，二萘嵌苯，金属酞菁，萘酞亚胺，富勒烯以及其衍生物上。最初Katz等人对萘酞亚胺进行了研究，但迁移率较低。利用具有可溶特性的萘二酞亚胺(NDI)和花二亚酞胺(PDI)的衍生物制成的场效应晶体管电子迁移率分别可达10-2cm2/(V ? s)和5x10-4 cm2/(V?s)。并且基于

PDI衍生物的场效应晶体管显示出双极性特性。而 Chesterfield等人报道二烃基取代的二萘嵌苯衍生物PDI8在真空中电子迁移率达0.6 cm2/(V ? s)，开关电流比大于105。同样PDI13通过140 0C锻烧之后迁移率达2 .1cm2/(V·s)。2，4，6-tris( 4-cyano-1，2，5-thiadiazol-3-yl) -1，3，5-triazine ( TCTDT)材料由于具有较低的LUMO轨道，有利于电子的注入和传导，并且TCTDT原子半径较小，更有利于电子祸合作用力等优点而被广泛研究和报道。利用TCTDT材料制成的顶接触OFET器件电子迁移率为0. 04 cm2 /(V?s)，开关电流比为102，阈值电压为-18V，并且器件在空气中具有很高的稳定型和重复性。carbonyl-bridged conjugated compound( C-BTz)材料具有较低的LUMO能级，其分子结构有利于载流子的传输。具有较高的空气稳定性。以C-BTz作为活性材料制成的OFET器件载流子迁移率为0. 06cm2 / (V?s)，开关电流比106。n型球状小分子C60是一种性能很好的材料，具有很好的各相同性固体，不需要像其它有机半导体一样特别控制其分子取向。通过溶液加工处理的方法以C60及C70衍生物为半导体材料制成的场效应管电子迁移率分别为0.21 cm2/(V·s)和0. 1 cm2/(V·s)。C60-ferrocene共扼分子也被作为OFET活性材料研究，使用C60-ferrocene共扼分子制成的OFET器件电子迁移率0. 04 cm2 / (V?s)阈值电压为-22 V。进一步研究表明，当使用C60-ferroce，共扼分子制成n型OFET器件载流子迁移率高于P型OFET器件，这是因为C60作为电子受体，而ferrocene是电子受体，二者之间的传送带使得载流子传送效率更高。

图6列出了几种常见的n型有机半导体结构图。

图6典型n型有机半导体材料分子结构

3绝缘层材料

早期有机场效应晶体管通常采用无机材料作为介电层材料。例如：Si，SiO2， TiO2，Al2O3等无机材料具有较高的介电常数、好的热力学稳定性、不易被击穿、耐高温等优点。但是由于无机材料不能适应柔性加工，不能采用溶液成膜的印刷生产技术，且其加工尺寸已经接近极限，以及成膜太薄会产生较大的漏电流等缺点。因此，为了实现未来低成本、大面积、可柔性加工的工业生产目标，使用高性能有机绝缘体材料来代替无机材料已成为未来发展的必然趋势。对OFET有机绝缘层材料的选取主要有以下几点：(1)由于绝缘体是夹在有机半导体层和栅极之间的三明治结构，所以首先要保证与二者都能很好的相容。(2)要防止静电荷或者动态电荷注入绝缘层界。(3)具有低的表面陷阱密度，低粗糙度，低掺杂浓度，以及滞后现象尽量小。(4)能适应大面积、常温、柔性、低成本的溶液加工技术。另外，加工制作时应尽量将栅极全部覆盖，这样可以有效防止漏电流。

聚苯乙烯PS和聚甲基丙烯酸甲酯PMMA已被用来作为绝缘层材料。但是它们的电容特性并不理想。聚乙烯醇(PVA)和聚乙烯苯酚(PVP)是两种应用广泛的聚合物绝缘体材料。2008年Yang等人利用P3 HT作为有机半导体层，使用PVP和poly( melamine-co-formaldehyde) ( PMF)混合物在经过200℃热处理后作为绝缘层材料制成的P3HT-0FET测得载流子迁移率为0.1cm2/(V·s)，阈值电压2 V，开-关电流比1.2 x 104。同时他们又研究了在PVP与PMF混合的绝缘层中以不同比例加入PAG (Photo-acid generator)利用120℃光处理过程制成的OFET，结果发现载流子迁移率可达0.06 cm2/ (V?s)阈值电压降至1.4 V，开关电流比也提高至3. 0×104。高介电常数的聚合物cyanoethylpullulan (K = 12)也被用来作为绝缘层材料。苯并环丁烯( BCB)作为绝缘体材料表现出了很低的漏电流特性，但是由于它的高温需求，使它尚不能被用于生产。Parylene C作为绝缘材料的顶栅和底栅设备迁移率分别为0.1 cm2 / ( V·s)和0.4 cm2 / ( V?s)，顶栅结构的迁移率较小是面粗糙度所致。使用聚氧化乙烯(PEO)-高氯酸锂做为绝缘材料的顶栅结构OFET具有很高的电容特性。近几年，杂化材料作为绝缘层材料也成为研究的热点。2008年Kim等人研究了以并五苯为有机材料，以SnO2 /PVA混合的杂化材料作为绝缘层制成的有机薄膜晶体管。证明了有机-无机杂化材料可以对晶体管起到很好的防护作用，增强设备的长期稳定性。同年，我国吉林大学也在绝缘层研究上有

突破。该研究小组利用酞菁铜作为有机半导体材料，研究了以P( MMA-co-GMA)共聚材料作为绝缘层材料制成的晶体管迁移率、开-关电流比、阈值电压分别为(1. 22×10-2、7×103、一8V)。性能明显优于仅使用PMMA作为绝缘层材料的晶体管( 5.89×10－3、2 ×103、－15 V)。这些性能的提高是因前者增强了酞菁铜表面的结晶度所致。常见的有机绝缘体材料如图7所示。

图7典型有机绝缘体材料分子结构

4 OFET的制备技术

有机半导体材料的选取对于有机场效应晶体管的性能影响固然至关重要，但是器件特性以及性能的好坏在很大程度上也取决于有机薄膜的结构与表面形态。高度有序的有机共扼分子的π键在源漏电极方向上得以最大的重叠，以而提高载流子传输效率，从而使器件具有较好的性能。有机薄膜的制备方法通常有真空技术、溶液处理成膜技术、单晶技术等几种。通常按照原材料的化学结构和性能来选取合适的方法。 4.1真空镀膜

真空镀膜方法是目前使用最为普遍的方法之一。这种技术的优点是通过控制蒸镀速率来控制膜的纯度和厚度，并实现膜的高度有序。真空技术通常包括物理

气相沉积(PVD )、化学气相沉积( CVD)、脉冲激光沉积(PLD)、离子溅射四种方法。其中最重要且使用最多的方法是PVD技术。它是液体或固体物质受热蒸发或升华转化为气体后在沉积在基底表面形成薄膜的方法。许多有机小分子如并五苯很难找到合适的溶剂将其溶解，很难用溶液加工成膜，真空技术就可以用来成膜。利用并五苯作为有机材料制成的沟道长度为1 μm的顶接触OFET在300 k和5. 8 k的场迁移率分别为1. 11cm2 / ( V?s)和0. 34 cm2 / ( V?s)。开关电流比分别为107和105，这说明场迁移率也受温度的影响。但是真空蒸镀技术仪器设备复杂，成本较高，不适合大面积的工业化生产。 4. 2溶液处理成膜

溶液处理成膜技术被认为是制备OFET最具有发展潜力的技术。它适用于可溶性的有机半导体材料，结合大面积印刷技术可以大大地降低成本。常用的溶液处理成膜技术主要包括电化学沉积技术、甩膜技术、铸膜技术、预聚物转化技术、L-B膜技术、分子自组装技术、印刷技术等。前4种技术成膜的有序性较差，我们这里主要介绍目前在OFET制备中最具有发展前景的，成膜有序性较好的后3种技术。

4. 2. 1 Langmuir-Blodgett (L-B)膜技术

具有表面活性的两亲分子溶于易挥发的溶剂中形成的溶液可以通过在水面上铺展，而在空气/水界面形成不溶于水的铺展膜，通过控制表面压力将这层膜转移到固体基底上，从而制备单层L-B膜，进行多次转移，就可以制备多层膜。它是一种可以在分子水平上精确控制薄膜厚度的成膜技术。

2009年初我国山东大学和济南大学共同发表了一篇以酞菁染料铺的络合物为原料，使用L-B成膜技术设计制成的有机场效应晶体管的文章。参见图8，以亲水的冠醚(a)置于底部，疏水的辛基(b)置于顶部，金属铺位于中间，制成的三明治结构图8 (c) 。

图8亲水的酞蓄染料冠醚衍生物(a)，疏水的酞蓄染料辛基衍生物(b)及 (a) (b)组

成的三明治结构(c)

利用L-B膜技术分别制成的以(HMDS)处理过的SiO2 /Si为基底和以(OTS)处理过SiO2 /Si为基底的顶结构有机场效应晶体管。图9是它们的原子力显微技术图像(AFM)。

图9以SiO2/Si为基底的AFM图像(a)，以HMDS处理过的SiO2/Si为基底的AFM

图像(b)，以OTS处理过的SiO2/Si为基底的AFM图像(c)

他们对比讨论了两种不同基底OFET性能的差别，可以看出图9(c)以

octadecyltrichlorlsilane ( OTS)处理过SiO2 /Si基底更有利于薄膜形态的有序性，因此显示了更好的性能。该结构空穴迁移率为0. 33 cm2 / ( V?s )，开关电流比为7.91×105。但由于L-B膜技术在材料设计上要求材料具有两亲性，使得对材料的选取和适用上受到了一定的限制。 4. 2. 2分子自组装技术

自组装分子(SAMs)是分子与分子在一定条件下，通过分子与分子间或分子中某一片段与另一片段之间的分子识别，依靠分子间的相互作用力，自发连接成结构稳定的、具有特定排列顺序的分子聚集体的过程。分子间相互作用力为分子的自组装提供必需的能量。自组装成膜技术较L-B成膜技术具有操作更简单、膜的热力学性质好、对基质没有特殊限制，且成膜材料广泛、膜稳定等优点，因而它是一种更具广阔应用前景的成膜技术。有机薄膜分子的有序程度受接触面相互作用的影响。使用分子自组装技术可以对界面进行修饰，从而提高分子排列的有序性进而提高器件性能。2008年日本的Hayaka-wa小组使用OTS自组装分子对SiO2界面进行修饰，与没经修饰的OFET进行详细对比，结果发现经OTS-SAM修饰的界面薄膜生长高度有序。其原子力显微镜图像对比如图10所示。晶体管性能也有很大的提高。然而分子自组装技术还会受到多种因素的影响，如成膜厚度、基片表面性质、溶液性质等。而构筑多层膜时分子自组装技术也不如L-B膜高度有序。

图10 AFM 图像(15×15μm2) [(a)－(c)] SiO2表面，[(d)－(f)] OTS表面 4. 2. 3印刷成膜技术

寻找简单、低成本、可大面积生产的印刷成膜技术将是未来非常有挑战性且有意

义的工作。印刷技术主要有喷墨打印、微接触打印两种。碳纳米管能够适合室温的喷墨打印生产因而作为制备碳纳米管晶体管的材料而被研究。利用超纯的高密度的碳纳米管作为载流子传输层，离子凝胶作为绝缘层，PEDOT作为栅极材料，全部利用喷墨打印技术，在室温下以聚酰亚胺为衬底材料制成顶栅结构的薄膜晶体管。整个过程没有进行任何表面预处理工作，最后晶体管展示出很高的工作频率(大于5GHZ)开关电流比也超过100。这种能适应全室温全柔性的技术有希望应用于有机电子电路中。接触打印技术是将待成膜的有机半导体或绝缘体材料的溶液蘸在已设计的固定图案印章上，然后在衬底上生长出特定图案薄膜。由于要使用固定图案，对柔性基底的适应性就不好。并且打印多层结构时的精确性不好。 4. 3单晶技术

传统方法制备的OFET半导体层一般都是多晶薄膜，而多晶薄膜的晶界有许多缺陷，造成费米能级钉扎，产生电荷势垒，降低载流子迁移率，影响OF-ET器件性能。而单晶技术因具有以下优点而成为近两年研究的热点：(1)高能量带电粒子，固有的等离子体沉积技术，决定了有机半导体表面光滑且高度有序；(2)整个过程可以在常温下进行；(3)不需要高真空要求，适合低成本技术生产；(4)沉积过程速度快；(5)有机半导体单晶与多晶薄膜相比，晶界和缺陷都很少。因此有机单晶晶体可以避免一些多晶甚至非晶有机半导体薄膜中的缺陷、晶界等因素的干扰而获得有机半导体材料的本征性质。其载流子迁移率通常比多晶薄膜要高。有机单晶酞菁铁、酞菁铜、红荧烯都显示了双极性特性。Podzorov等人利用红荧烯单晶制备的有机单晶晶体管的场效应载流子迁移率高达8cm2/(V·S)。使用溶液法很难制备高纯度、低缺陷的单晶薄膜。一般单晶薄膜可以通过电化学沉积、扩散沉积、气相沉积等方法来制备。其中又以气相法最为常用。离子液体具有可在室温下工作、化学稳定性不断提高、防水、无毒、不挥发等特性，利用它的离子迅速扩散性能，可以制备出高性能的有机单晶晶体管。已有报道有机单晶半导体被应用于低成本微电极电路中，比如矩阵显T传感等领域。日本电力中央研究所与大阪大学联手开发出了采用离子液体的高性能有机单晶晶体管，基本结构见图11。

图11有机单晶离子晶体管基本结构

利用PDMS制成弹性体基底，使有机红荧烯单晶吸附在上面，在有机单晶体红荧烯与栅极间夹入了低粘滞度和高离子导电率离子液体1-ethyl-3-methyl-imidazolium bis( trifluoromethanesulfonyl) imide作为栅极绝缘体。外加栅极电压，离子就会发生迁移，在栅极与离子液体之间的界面和离子液体与有机单晶体之间的界面上，由离子蓄积而形成双电荷层。此时，由于离子液体中的离子与有机单晶体电极的距离只有1nm，外加微弱电压就实现了高电场。该开发晶的工作电压(约0. 2 V)，为现有有机FET的约1/500~1/100。电荷迁移率更是高达10cm2 / ( V?s)，达到了采用双电荷层的有机FET中的最大值。超过了非晶硅的电荷迁移率((1.0 cm2/ (V·s)左右)，可满足有机柔性显示器所需的性能。另外，在0.1~1MHz的宽频率下具有高电解电容，并具备高速开关性能。Ono等人分析比较了也报道了加入五种不同阴离子液体制成的红荧烯单晶体管的性能。Nakanotani等人也报道了使用金-钙不对称电极介于BSB-Me单晶制成的具有双极性特性的晶体管，虽然只有0. 005 cm2 / ( V·s)的迁移率，但是由于BSB-Me具有很高的发光效率因而BSB-Me单晶晶体管也展示了很好的发光性能，有望用来制备蓝光固体激光器。

5结论与展望

从第一个具有真正意义上的有机场效应晶体管产生以来，它已获得了巨大的发展，OFET以其柔性好、成木低、质量轻等优点展现出良好的应用前景，并已经在一些低端市场取得应用。目前有机场效应晶体管面临的主要问题和发展趋势有以下几方面：

(1)在材料方面，类型过于单一，n型有机半导体材料较少，开关速度不稳定，大多数有机材料载流子迁移率过低。限制了有机场效应晶体管的进一步发展。因此，探索高迁移率且具有良好工作性能的新材料是OFET所要解决的问题之一。

(2)在器件制备技术方面 ，OFET器件的各层几乎都要涉及成木昂贵的真空技术，因此研制出新的成膜技术和更为简单、成木更低的制作工艺是近年来发展

的一个方向。

(3)在制作工艺上，OFET的沟道长度很难进一步降低且器件存在开启电压大、工作电流低等缺点。

(4)从外界影响因素看，如材料的纯度、不同介电常数的绝缘层以及衬底温度等，如何排除干扰，提高器件的稳定性和寿命也应得到高度币视。

(5)从产业化角度看，要实现真正的产业化，有机电子器件在很多方面还需要不断的改进，例如，室温及大气环境下制备的器件性能还有待进一步提高，大气环境下器件稳定性和寿命也有待提高才能满足商业化的需求。

目前有机场效应晶体管材料和器件的发展面临着以上种种困难，尚不能与无机硅半导体材料相提并论。今后的研究仍然要以材料、器件工艺、器件稳定性和寿命为主要研究方向。另外，有机场效应晶体管目前仍然在延续使用无机MOSFET的载流子传输理论和模型，尚没有统一的有机半导体载流子传输机理。因此，探索一种适用于OFET的载流子传输机理和模型也是当前有待解决的难题。

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