有机场效应晶体管

一种利用有机半导体组成信道的场效应晶体管

有机场效应晶体管（Organic field-effect transistor, OFET）是一种利用有机半导体组成信道的场效应晶体管。OFET的原料分子通常是含有芳环的π电子共轭体系。OFET的制造工艺有小分子在真空中蒸发、聚合物溶液浇注、将原料单晶剥离至基板等方法。OFET的应用目标包括低成本，大面积的电子产品和可生物降解电子设备。研究上设计出了有多种构造形式的OFET，实际应用的器件中最常用的构造是底部栅极、顶部漏极和源极，因为这种构造类似于使用SiO2的热生长法作为栅极介电层的薄膜电晶体(TFT)。有机聚合物，例如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）也可以被用作电介质。

OFET的历史

有机场效应晶体管（OFET）最初由J.E. Lilienfeld提出，他于1930年获得了他的想法的专利。他提出场效应晶体管表现为在源极和漏极之间具有导电沟道的电容器。栅电极上的施加电压控制流过系统的电荷载流子的量。

第一个场效应晶体管是由Kahng和Atalla在1960年使用金属氧化物半导体（MOSFET）设计和制造的。然而，近年来，材料和制造成本上升以及公众对更环保的电子材料的兴趣支持了有机电子产品的发展。1987年， Koezuka及其同事报道了第一种基于噻吩分子聚合物的有机场效应晶体管。噻吩聚合物是一种能够传导电荷的共轭聚合物，无需使用昂贵的金属氧化物半导体。另外，已经显示其他共轭聚合物具有半导体特性。OFET设计在过去几十年中也有所改善。许多OFET都是基于薄膜晶体管（TFT）模型设计的，它允许器件在设计中使用导电性较差的材料。在过去几年中对这些模型的改进已经实现了场效应迁移率和开关电流比。

有机场效应晶体管的半导体材料

用作有机场效应晶体管的有机半导体材料不但应具有稳定的电化学特性，还应是具有兀键的共扼体系，兀键重叠的轴向应该尽量与源漏电极之间的最短距离方向一致，从而有利于载流子的传输。这不仅限制了大多数有机材料，而且要求控制薄膜制备条件，使晶体的生长和取向达到最佳的形貌。按不同的化学和物理性质有机半导体材料主要分为3类:一是高分子聚合物，如烷基取代的聚唾吩;二是低聚物，如唾嗯齐聚物和唾吩齐聚物等;三是有机小分子化合物，如并苯类，C60，金属酞警化合物，蔡，花，电荷转移盐等，几种有机半导体材料的分子结构。有机场效应晶体管对所用有机半导体材料有着特殊的要求:(1)高迁移率，(2)低本征电导率。高的迁移率是为了保证器件的开关速度，低的本征电导率是为了尽可能地降低器件的漏电流，从而提高器件的开关比，增加器件的可靠性。有机半导体材料的设计和合成起着决定性的作用。

高分子化合物

高分子薄膜可以使用涂膜、甩膜、LB膜等方法制备，方法简单，成本低廉。但高分子一般难于提纯并且材料的有序度较低，因此高分子材料的场效应迁移率一般都比较低。最近，通过改善高分子薄膜的有序性，使用区域有序的聚烷基唾吩制作的OFET的场效应迁移率可达到但总的来说，由于高分子材料本身固有的特点，它在有机场效应晶体管中的应用受到很大的限制。

低聚物

与高分子聚合物相比，低聚物在用于OFET时有许多优点，低聚物可以通过调整子的结构和长度来控制载流子的传输。例如低聚唾吩系列化合物，可以通过改变唾吩链的长度和引人不同的官能团来改善薄膜的有序性，许多报道表明低聚唾吩场效应迁移率随分子链长的增加而增大。可以通过修饰分子以改善分子的连接形式，如齐聚唾吩的不同烷基取代可以形成不同的结构。因此，低聚物在有机场效应晶体管中得到广泛的应用。

有机小分子化合物

迁移率较高的有机小分子化合物都具有一定的平面结构，它们能形成自组装的多晶膜，当这些分子沉积在绝缘层上后，分子层互相平行并且垂直于绝缘层的表面，这种有序的分子膜的排列使的迁移率大大提高小分子有机物易于提纯并且常用真空蒸镀的方法来制备薄膜常用作有机半导体材料的小分子化合物有并五苯、酞青类化合物、花以及等并五苯是用于制备有机场效应晶体管的最有前途的材料之一，它是个苯环并列形成的稠环化合物，从年以来其半导体特性得到了广泛的研究尽管大多数基于并五苯的都是由真空沉积膜组成的一，但也有报道把可溶性的前驱体分子用甩膜的方法制备,该器件有着较高的迁移率 ,这些晶体管在空气中能稳定几个月最近,在高真空下采用分子束沉积方法制备了多晶并五苯薄膜晶体管,室温下其迁移率为。采用相同方式沉积的无定并五苯却是绝缘体。用高纯并五苯单晶制备的OFET，在室温下其迁移率达。然而与高分材料相比，并五苯比较脆，很难涂在其他材料上，只能用真空镀膜的方式沉积，这一点是它的最大不足。酞著类化合物也是制备有机场效应晶体管的常用材料之一酞普是第一个报道的有机半导体它在400℃以下比较稳定，在真空中易蒸发形成均匀的薄膜酞背可以与不同的金属配位形成金属酞菁化合物cPs一OFET在1970年被报道以来得到广泛的研究，其迁移率在的范围内。由Pcs制得的有机场效应晶体管大多数是p型的。我们曾研究了制备方法对氨基酞普铜场效应晶体管迁移率的影响，发现用LB膜技术制备的酞普铜有机场效应晶体管比蒸发制备的OFET的迁移率高很多。

OFET的制备技术

有机场效应晶体管制备的关键步骤是有机半导体层的形成，器件特性以及性能的好坏在很大程度上取决于有机薄膜的结构和形貌有序的分子结构能使有机共扼分子的兀键在源漏电极方向上得以最大程度的重叠，从而提高载流子的传输因此探索新的有序分子形貌的有机场效应晶体管制备技术，对器件性能的改善起着关键性的作用。

真空技术

真空技术是制备OFET薄膜最普遍采用的方法之一，它主要包括真空镀膜溅射和有机分子束外延生长技术这种技术的优点是可以控制膜的纯度和厚度，也可以通过控制沉积速度和基底的温度来实现膜的高度有序许多有机半导体材料在溶剂中的豁度和溶解度很小，很难用溶液加工技术成膜溅射沉积膜附着力强，可用来制备OFET的电极和绝缘层并五苯是利用真空蒸发技术制备OFET的典型化合物，它的迁移率可达。利用真空镀膜技术制备的OFET的迁移率一般比溶液加工技术高一个数量级。总之，各种真空镀膜技术制得的OFET性能比较好，迁移率都比溶液处理成膜技术高得多，但是仪器设备复杂，成本比较昂贵，所以在工业中应用比较困难。

溶液处理成膜技术

溶液处理成膜技术被认为是制备最有发展潜力的技术，它适用于可溶性的有机半导体材料结合大面积“印章”技术和印刷技术可以大大地降低成本，利用这种技术制备的的迁移率最高仅比真空技术小一个数量级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、一技术、分子自组装技术、印刷技术等。

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