1、本科毕业论文（20 届）基于聚合物绝缘层有机场效应管特性的研究所在学院 专业班级 应用物理 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 -基于聚合物绝缘层有机场效应管特性的研究摘 要有机场效应晶体管(OFETs)是在场效应晶体管(Field Effect Transistor， FET)中使用有机材料的一种新型电子器件，这种器件是通过电场去控制导电沟道形状从而达到控制半导体材料中载流子的沟道的导电性的目的。OFETs 具有: 柔韧性、低成本、可大面积加工等诸多无机场效应管所没有的优势将受到更多的关注。经过几十年的发展 OFETs已取得了显著进展，并成为了非常重要的电子器件之一。本
2、文对 OFETs的背景、历史、应用以及目前存在的一些热点问题进行回顾、讨论。并且简明概述了 OFETs器件的结构及有绝缘材料、有机半导体材料及电极材料。详述了绝缘层材料、有机半导体 P型材料、金属电极材料以及能级的相关知识，并叙述了目前较具影响力的有机半导体层中载流子的传输机制。从OFETs的基本工作模型出发论述 OFETs基本原理。讨论了 OFETs中的载流子场效应迁移率、开关比、阈值电压和亚阈值斜率的物理意义，并且介绍了主要参数的计算方法。本文重点介绍了基于聚合物作为绝缘层的并五苯 OFETs器件研究的相关试验工作，从具体实验室条件出发，分析了不同制备条件对器件性能的影响。具体研究内容如下
3、：用旋涂的方法分别制备以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚酰亚胺(PI)薄膜为栅绝缘层，并五苯为有机层，以金属铝为电极制备了 OFETs，通过测试获得了较好的 I-V特性曲线。通过计算，得到 PMMA做绝缘层的 OFETs的场效应迁移率达到 3.21410-2 cm2 / V s，阈值电压达到-28V、开关电流比达 1 103。 PI做绝缘层的 OFETs的场效应迁移率为 7.30610-3cm2/V s，阈值电压-21V、开关电流比 2 102。最后，总结本文工作，并结合目前研究展望了 OFETs的发展趋势。关键词：有机场效应管 聚甲基丙烯酸甲酯 聚酰亚胺 并五苯 载流子迁移率- 2 -Stu
4、dy of organic thin film transistor with Polymer as a dielectric layerABSTRACTOrganic field-effect transistor(OFET) is a kind of novel electronic device，and is also a kind of active device using electric field to control the electric conductivity of solid materials. OFET is attracting more and more i
5、nterests because of its series of advantages over Inorganic field-effect transistor，such as low-cost，flexility and large area processing. OFET has already become one of the most important organic electronic devices through more than ten years of development.This thesis reviews the research backgroun
6、d，development history，applied domain and research hotspot of organic field-effect transistor. The structure and organic semiconductor material of OFET are summarized. We introduce electric conductivity types of organic semiconductor material，energy band relationship between metal electrode and organ
7、ic semiconductor，carrier transmission mechanism and metal/organic semiconductor contact theory of organic semiconductor at present. The basic work principle of OFET is discussed from the basic working model and l-V equation. We also discuss carrier field-effect mobility physical signification and co
8、mputational methods of OFET. This paper focuses on the study of pentacene OFET devices related work. We proceed from the specific conditions of laboratory, respectively, spin-coating poly methyl methacrylate (PMMA) and poly phthalocyanine imide (PI) for the gate insulation layer, aluminum, gold and
9、other metals for the electrodes prepared OFET, the device Preparation of a detailed description of the morphology of the films using atomic force microscopy were characterized, and get a better four-characteristic curve. Calculated in order to polymethyl methacrylate as the insulating layer of OFET
10、device carrier mobility products as: 3.214 10 cm /V.s, whilst in securities for the 2insulation layer OFET current carrying device mobility rate: 7.306 10 cm /V.s, 2we studied the effect that the substrate temperature and evaporation rate of pentacene thin films, thereby affecting the carrier mobili
11、ty device, that for pentacene thin film has an optimal The substrate temperature and film thickness. Finally, to sum up this work, combined with current research trends discussed OFET and applications. Finally the author summarized the thesis work，and discussed development direction - 3 -and applica
12、tion foreground.Key words: OFET, PMMA, PI, Pentacene, Carrier mobility- 4 -目 录第一章 绪论 .11.1 引言 .11.2 OFETS 的研究意义及应用 .21.3 OFETS 的研究进展 .31.4 OFETS 存在的问题及发展趋势 .41.5 本论文主要研究工作 .5第二章 OFETS 的基本结构、材料、工作原理及参数 .72.1 OFETS 的基本结构 .72.2 OFETS 的材料 .82.2.1 绝缘层材料 .82.2.2 半导体材料 .112.2.3 电极材料 .122.3 OFETS 工作原理和参数 .1
13、32.4 本章小节 .16第三章 基于聚合物绝缘层的并五苯 OFETS 的制备与研究 .173.1 引言 .173.2 基于 PMMA 与 PI 绝缘层的 OFETS 器件的制备 .173.3 基于厚度不同的 PMMA 作为绝缘层的 OFETS 的制备 .183.4 实验结果与讨论 .193.4.1 基于 PMMA 和 Polyimide 栅绝缘层的 OFET 的实验结果分析 .193.4.2 基于厚度不同 PMMA 作为绝缘层的 OFETs 性能测试结果分析 .203.5 本章小节 .24第四章 总结与展望 .25参考文献 .26致 谢 .27天津理工大学 2015 届本科毕业说明书1第一章
14、 绪论1.1引言如今，自动控制、计算机技术、现代通讯的基础与核心正是微电子技术，其主要特征体现在集成电路以及半导体器件上。场效应晶体管(Field Effect Transistor， FET)是一种通过电场控制电流开关的电子元件。它是依靠电场去控制导电沟道形状，进而控制半导体材料中某种类型载流子(电子或空穴)的沟道导电性。FET 也可以称为“单极性晶体管” ，因为与双极性晶体管相比，它是单载流子型作用的器件。因为半导体材料的技术限制，以及双极性晶体管相对容易制造，故 FET 比双极性晶体管要更晚制造出来出。然而， FET 的概念的提出要早于双极性晶体管。其理论由 Lilienfeld 早在
15、1930 年就已提出，但因为技术等多重因素，直到了 1960 年才制造出了第一个场效应晶体管。由于它具有重量轻、体积小、热稳定性好、节能等众多优点，因此对于这种电子器件的研究备受瞩目。FET 在电路，如放大电路、整流电路、平面显示电子器件等中均发挥了无可替代的巨大作用。而 FET 尺寸缩小所面临着摩尔定律挑战，以至于已经接近小型化的极限，显然已无法满足当今电子产品的越来越轻便的基本要求，并且也具有成本高、高温工艺、不可弯曲以及在制作大表面器件时所存在的问题等缺点。因此研究者与科学家们开始研发替代材料和制备工艺，也从此开启了微电子学新的篇章。在世纪之交，一门发展迅速的交叉性学科“有机学(orga
16、nics)”出现，有机光电功能器件和材料是其主要的研究方向，它由有机化学，光电子工程，凝聚态物理，高分子材料等学科互相结合形成。于 1970 年开始有利用有机材料制备FET 的构想始，直到 80 年代后期，首个基于聚噻吩的有机场效应晶体管(organic field-effect transistors，OFETs)才正式出现。短短几十年，使用共轭聚合物和小分子作 OFETs 有源层材料的研究，在商业与学术领域稳步增长。多重原因导致其增长，与 FET 相对比，OFETs 具有一系列明显的优势，例如：开关比为 106108、有效迁移率为 0.51 cm2V1 s1，真空蒸镀小分子其有效迁移率可达
17、 5 cm2V1 s1，可用溶液化方法制备的基于聚合物有源层的 OFETs 器件其有效迁移率可达 0.6 cm2V1 s1，可见 OFETs 的性能已经有大幅提升；OFETs 可制作较大面积器件，如：液晶显示器的驱动，简单低成本射频识别卡(RFID)，智能卡等，而 FET 因为单晶硅尺寸的限制而多采用天津理工大学 2015 届本科毕业说明书2多晶硅、无定形硅，但制备过程不能构筑在基底上，是因为所需要的高温；全部用有机材料制成的“ 全有机 FET”柔韧性较佳，即理论上可任意制备器件形状，如实现柔性电子报纸显示屏；有机物容易获得，成膜技术较多，且可以制备更小多器件；OFETs 可大大降低生产成本，
18、且其制备工艺简单。尤其在近些年，多功能、高性能 OFETs 及光电集成电子器件等出现，使得OFETs 研究取得巨大的进展，也为实现全有机电路打下基础。1.2 OFETs 的研究意义及应用与 FET 相比，OFETs 具有工艺简单、材料种类多、与柔性衬底相容；驱动电压功耗低；制造成本低廉；尺寸小量轻；可通过对分子结构的修饰或者掺杂来改善 OFETs 的电特性等优点。在实现了成规模的量产后，在柔性显示、集成电路等领域大显身手，具有广阔的市场前景。比如利用电介常数较高的有机绝缘层取代通常采用的无机绝缘层 SiO2，使 OFETs 的阈值电压下降，对 OFETs制备技术的改进，如改进传统的、价格昂贵、
19、设备复杂的光刻、真空蒸发等技术制备高性能、低耗能、简单低成本的 OFETs，使其更快速的从实验室走向工业应用。从 OFETs 具有的优势、特性，可看出其具有广泛的研究前景，主要应用于柔性显示驱动、电子报纸、人体传感器、有源矩阵电路、低成本全打印柔性射频标签、商业化柔性射频标签等。OFET 也被广泛应用于传感器中，图 1.1 所示为 OFETs 用作气体传感器时通常所用的结构，OFETs 最上层为有机半导体材料，因此有机层可与气体分子和蒸汽直接接触。通过调整参数可以控制 OFETs 的电流电位特性从而测量待测气体种类以及含量。随着 OFETs 活性材料的开发与利用，该种气体传感器的选择性与灵敏度
20、都会得到巨大的发展，高性能电子鼻即能被广泛应用。在制备超导材料的过程中，OFETs 可以作为评价新型有机材料半导体性能图 1.1 OFETs 气体传感器结构示意图Fig. 1.1Schematic diagram of gas sensor天津理工大学 2015 届本科毕业说明书3的得力工具，可以用于研究该种材料导电率、迁移率等性能。有机薄膜中由于栅极电场产生大量电荷载流子，通过这种场效应参杂可产生较大的静电场，使得载流子聚集在材料表面，则可以有效调节该区域电荷密度。利用此结构可对高度有序有机材料的超导性进行较为详尽的研究。在显示技术中，OFETs 因制作成本低、可大面积制造、可弯曲等特性广受
21、青睐。特别是在液晶以及有机光电器件与可移动电子器件的显示部分，将这些器件进行组合，可组成“ 全有机 ”的显示屏。OFETs 高能量放大、高速度是实现上述目标的关键因素。E-Ink 公司和贝尔实验室现已研制可弯曲、大视角的电子油墨显示屏幕(Electronic Ink Displays)，如图 1.2 所示。其中一大关键技术即贝尔实验室开发的 OFETs，该晶体管是基于碳基化合物开发的，比起如非晶体硅树脂等材料成本低廉的多，更适合商品的量产。1.3 OFETs 的研究进展19 世纪 30 年代，J.E.Lilienfeld 在其一篇专利中提出了 FET 的概念, 无论对材料、加工工艺的研究、还是
22、对性能的改善都取得了巨大的进展，这使得场效应晶体管成为了电子学中最重要的器件之一。1986 年，Tsumura 等基于聚噻吩有机半导体材料研制出第一个 OFET，在之后的时间里，对于 OFETs 的研究不断取得进步，并且在近些年得到了突飞猛进的发展。大体上 OFETs 的发展可分为以下几个阶段：第一阶段是 1986-1994 年，小分子、共轭聚合物半导体材料相继用于制备 OFETs 并有一定成果 1，除此之外通过溶液化方法制备基于可溶的聚噻吩的 OFETs 的出现,充分展示出基于有机图 1.2 电子油墨显示屏结构图Fig.1.2 Electronic ink display Chart天津理工
23、大学 2015 届本科毕业说明书4物材料加工 OFETs 的简便，且成本低廉；第二阶段是 1994-1997 年，在此OFETs 器件性能已经能与非晶硅器件性能媲美，而且 OFETs 在制备条件、成本等方面具有很大的优势，此外 1994 年 Gamier 小组 2第一次通过打印方法制备了全有机聚合物 OFETs，虽然该 OFETs 的有效迁移率只有 0.06 cm2/Vs，但它为量产化奠定了基础，并且使 OFETs 在工业和商业方面的前景更加广阔；第三阶段即 1997 年至今，在这一时期， OFETs 的发展更加日新月异，尤其在小分子材料方面，由它制备的 OFETs 有效迁移率接近甚至已经超过
24、了非晶硅 3,4。OFETs 不仅在有效迁移率方面有了一定成就，而且在集成化、功能化等方面也有新的研究与发现，越来越接近应用化。1999年，Gundiach等人采用 SiO2绝缘层制成以并五苯为有源层的OFETs 的有效迁移率可以达到2.1cm 2/Vs。2000年，英国卡文迪许实验室Sirringhaus等人5在亲水玻璃上使用光刻等方法刻蚀一条狭窄的表面疏水的柔性聚酰亚胺 (PI)薄膜作为衬底，以辅助实现导电聚合物水溶液的打印，并制成聚合物源漏极，在电极旋涂聚合物，制备有源层与绝缘层，然后，在实现图案化聚合物栅电极使用了喷墨印刷的方法，完成OFETs的组装。采用此方法可以得到 “全有机”OF
25、ETs，它具有良好的柔性，其沟道长度为5m，电子迁移率可以达到0.02cm2/Vs，开关电流比可以达到10 5。因此， “全有机 ”OFETs的研究及应用逐渐称为研究领域热点问题。还具有一些比较重要的研究如：Parashokov 6等分别用聚乙烯醇(PVA)和氰乙基普鲁烷(CYEPL)作为绝缘层，聚3-丁基噻吩作为有源层，还以聚酰亚胺(PI)作为衬底,得到了迁移率为 0.04 cm2/V s的“全柔性”器件。2004年，Sandberg7等提出“吸湿性 ”绝缘层概念，使用1.2m厚的聚乙烯醇(PVA)作绝缘层，使用聚3-己基噻吩(P3HT)作有源层，发现其电容和该湿度暴露的时间及其相对湿度呈正
26、相关。2005年，Mllen 8等由于PMMA和P(VDF-TrFE) 高k的特性，使用其作为绝缘层，制备了P3HT-OFETs，测得该材料的介电常数大约为11，当绝缘层的厚度为2m 时，P3HT-OFETs不仅无迟滞性，而且当绝缘层厚度小于1m 时， P3HT-OFETs显示出铁电迟滞性，它也可以用作存储单元。2011年，Loig Kergoat采用PMMA与P3HT混合溶液制备OFETs有源层，用真实图像显示了互穿网络的图像，为之后混合型有机溶液发展奠定基础。1.4 OFETs 存在的问题及发展趋势OFETs 与无机场效应晶体管相比较显然具有不可比拟优点，比如工艺简单，与柔性衬底相容、驱动
27、电压功耗低、尺寸小量轻、低温制程、制造成本低廉，使得 OFETs 高强度载流子掺杂在有机激光制备中的应用、大规模集成电路中的应用、在柔性化、大面积、低成本有源矩阵显示等方面具有潜在发展前景而备天津理工大学 2015 届本科毕业说明书5受学术界和工业界的关注，但近年来的研究总是没能得到巨大突破，使其如预计的一般在有机集成器件商业得到突破性进展。要使 OFETs 从实验室走向商业化，目前主要问题集中于：(1) 影响 OFETs 应用的重要参数之一，即工作频率无法达到要求，难以满足晶体管高速运行；而载流子迁移率的问题也影响器件的应用，可见另一个非常重要的重要问题在于，工作频率能达到的前提下必须尽可能
28、提升载流子的数目。由于有机半导体材料自身结构的限制，载流子有效迁移率与无机多晶、单晶相比还有一定差距。(2) 有机半导体材料大多数为 P 型材料，N 型材料比较少，材料类型过于单一也很大程度上限制了 OFETs 的发展。(3) 实验室真空环境中制备高性能有机层的方式，由于该方法高成本，且比较不稳定，很难直接移植到商业生产中。(4) 由于很多因素将会影响 OFETs 性能，如：衬底温度、成膜速率、材料纯度、缺陷等。在众多因素的干扰之下如何排除干扰、增强稳定性并延长其寿命也是 OFETs 面临的巨大挑战。(5) 复合理论与有机半导体载流子传输还有很多问题仍未解决，还有待进人们一步的研究。根据上述分
29、析，OFETs 有着不可比拟的优势，也有着目前比较突出多问题，我们可以预见其未来的发展趋势必然是不断改进、不断完善的过程。未来的发展可能主要存在于一下几个方面：(1) 新的成膜技术的开发以及低成本、简便的制作工艺，发展使得 OFETs 绝缘层、源极、漏极可以不涉及真空技术的成本低廉低溶液加工技术。由此可见对新技术如分子组装技术、印刷技术、LB 膜技术等的研究必然会成为一大发展趋势。(2) 如果要使用印刷的方式实现全有机场效应晶体管，那么必须在高性能有机绝缘材料领域取得突破，用以取代无机绝缘材料。(3) 研究更多方法培养质量比较高的有机半导体的单晶，制备高开关比、高有效迁移率的分子晶体场效应管。1.5本论文主要研究工作本论文开篇简要综述了 OFETs 自制备以来到现今，这些年中的各个发展阶段以及对 OFETs 的研究意义。介绍 OFETs 的应用、研究进展，存在问题等。针对 OFETs 有机绝缘材料取代无机绝缘材料的发展趋势，本文选取了基于聚合
