1、本科毕业论文（20 届）基于 C60 有源层有机场效应晶体管的制作所在学院 专业班级 应用物理学 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 基于 C60有源层有机场效应晶体管的制作摘 要有机场效应晶体管（organic field-effected transistors OFET）是以有机物作为有源层的场效应晶体管，其经过近三十年的研究已经深入运用于诸多领域。在最近的相关报道中，大多以 P沟道 OFET为主，并且以并五苯（pentacene）为有源层的场效应晶体管则可以与无机晶体管相媲美，其技术已经相当成熟。在集成电路中需要 n型，p 型晶体管组成互补电路，这样可以降低能耗，增加电路
2、的稳定性。所以关于 N型 OFET的研究非常有必要和紧迫的。而以富勒烯（C 60)作为有源层的 OFET就是一种很好的 N型半导体制作材料。本文具体内容有 （1）阅读文献，掌握 OFET的基本知识，设计出制作的 OFET的方案。（2）制备 N型 OFET，在玻璃基板上以氧化铟锡（ITO）为栅极，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)为绝缘层，富勒烯（C 60）为有源层，以成本较低的金属铝（Al）作为源漏电极制备成所需的 N沟道的底栅顶接触的 OFET。（3）对所制备好的以 C60为有源层的 OFET特性研究，包括对其迁移率的计算，其输出特性的研究，转移特性研究（4）对界面修饰的 OFET性能的比较。关键
3、词 有机场效应晶体管 C60 N 型半导体 迁移率Research of Function Regulation on the C60 Organic Field-Effect TransistorABSTRACTOrganic Field Effect Transistors(OFET) have attracted considerable attention in the past thirty years. After several years of expansive development, great achievements have made in the field of
4、 the preparation of high-performance organic devices.In recent reports, mostly in P channel OFET is given priority to, and pentacene as the active layer of the semiconductor can be comparable to those, inorganic semiconductor technology already quite mature. So the study of n-type OFET very necessar
5、y and urgent. The fullerene (C60） as the active layer OFET is a kind of very good N type semiconductor materials. the specific contentIn this paper, （1）preparation of n-type OFET, on glass substrate with indium tin oxide (ITO) for grid, polymethyl methacrylate (PMMA) as the insulating layer, the ful
6、lerene (C60) as the active layer, with lower cost of aluminum (Al) as a electrode and use molybdenum trioxide (MoO3) modified electrode. Preparation into the N channel at the bottom of the grid contact OFET（2）For the preparation of good with the active layer of C60 OFET characteristics research, inc
7、luding the calculation of its mobility, its output characteristic research, transfer characteristic research（3）The performance of the electrode modified OFET comparisonKey Words：OFET, C60 N type semiconductor Mobility rate目 录第一章 绪论 .11.1 引言 .11.2 OFET 的研究进展 .11.3 OFET 的应用 .31.3.1 OFET 在传感器中的应用 .31.3
8、.2 在大规模集成电路中的应用 .41.3.3 在显示电路中的应用 .41.3.4 有机激光技术 .51.4 OFET 所面临的问题与研究热点 .61.4.1 材料的选择 .61.4.2 成膜工艺的完善 .61.4.3 界面的控制 .61.4.4 理论的不完善 .71.5 本论文所研究的主要内容 .7第二章 关于 OFET 的基本结构与基本理论 .82.1 器件结构 .82.1.1 底栅顶接触 .82.1.2 底栅底接触 .92.1.3 顶栅底接触 .102.1.4 顶栅顶接触 .102.2 OFET 的基本原理和主要参数 .112.2.1 OFET 工作的基本原理 .112.2.1OFET
9、的输出特性 .122.3 OFET 的重要参数 .142.4 材料的选取 .152.5 薄膜制取工艺 .20第三章 基于 C60 有源层有机场效应管的制作 .223.1 实验准备 .223.2 基于 C60 有源层的 OFET 制作过程 .233.2.1 基片的清洗 .233.2.2 制备有机绝缘层 .243.2.3 真空蒸镀有源层即源漏电极 .243.3 OFET 的性能检测 .24第四章 总结与展望 .264.1 本文总结 .264.2 展望 .26参考文献 .28天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书1第一章 绪论1.1 引言现在我们已经进入了信息时代，互联网的普及，平板显示，让我
10、们随时随地的可以了解世界，而这些成果，大多要归功于微电子技术的发展。微电子技术，是建立无机半导体材料的基础上的，比如是在硅（Si)，禇（Ge），砷化镓（GaAs）这些无机。但是这样的半导体制作成本很高，制作工艺也很复杂，其中尤其是单晶的难于获得，高温的制作工艺以及硬性的基层材料这些难题，让无机半导体更加的困难。所以世界各国的科学家纷纷的将目光投向了有机材料。因为第一，有机材料的种类很多，且易于转换分子结构，便于可以设计材料。第二，制作工艺也简单，不需要那么高温的制作环境。第三，可以与很多的衬底材料兼容，不需要苛求于硬性材料。第四，成本很低廉，这种材料的制备只有硅这些材料成本的十分之一。现在有机
11、半导体大体体现于三个方面，一个是有机电致发光二极管（organic light-emitting diode OLED），有机场效应晶体管(Organic Field Effect Transistors OFET),有机太阳能电池（ organic solar cell）。OLED 将来极有可能成为取代液晶平板显示的材料，成为新的平板显示的领导者。有机太阳能电池也是很有研究空间的，以 P3HT 和 PCBM 混合体系的光电转换效率已经打到了 5%。而本文则是对 OFET 作一个系统的阐述。1.2 OFET 的研究进展有机薄膜场效应晶体管是用有机材料，有机小分子材料或者高分子聚合物作为有机薄膜
12、，作为半导体的功能层有源层的器件，它是通过改变外加电场来改变半导体的导电能力半导体。从上个世纪六七十年代，就有很多科学家开始研究半导体有机材料，在 1970 年，Barbe 就发现了酞菁分子的场效应特性。1987 年，由 Tsumura 等人研制出了第一个 OFET。他们这次所用的有机材料是聚噻吩。但是这次他们得到了比较全面的晶体管参数，尤其是迁移率已经达到了 10-5cm2/Vs。此后 OFET 快速发展，经过三十年的研究发展，已经取得了巨大的进展。在这三十年的发展，大约可以分为三个阶段。第一阶段大约是在 1987-1993.这一阶段大多是关于新材料的选取上，一方面是一提高半导体的纯度，这样
13、降低杂质的浓度，减少载流子的散射，从而得天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书2到高的载流子的迁移率。或者增加聚合物的主链共轭长度，也能提高载流子的迁移率。另一方面是降低本征电导率，从而提高半导体的开关电流比。比如当时科学家已经用共轭聚六噻吩制作 OFET，此时的迁移率已经达到 10-3cm2/Vs，还有人开始改变膜的序度，迁移率也达到了 10-1cm2/Vs第二阶段是 1993-1997 年，这时候一般是通过改变薄膜的制作工艺，来提高半导体的性能。还有改变薄膜形态结构和载流子的传输基质和新型的器件结构，甚至还有制作有机单晶来提高半导体性能。这段时间大约有几个大的成果。在九十年代初，科学
14、家开始注重于绝缘层的材料，并且寻找一些介电常数大的绝缘层材料并且获得了迁移率接近 1cm2/Vs.并且在这个阶段也制成了双极性的 OFET。第三阶段则是从 1997 年到现在，这段时间 OFET 的研究也变的多了起来，这一阶段的主要研究课题是把握有源层的形貌和结构以及研究 OFET 结构中的各种界面态、OFET 与 OLED 器件集成制作工艺方法等方面。开始制备了OFET 和 OLED 相结合的场效应管，也寻找到了一些很好的 n 型半导体材料，迁移率也在这阶段得到了很大的提升，有些迁移率已经完全符合商业生产的需求了。图 1.1 关于 OFET相关方面的发表的文章数据统计Fig 1.1 Numb
15、ers of publications On OFET天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书3目前，OFET 正走向商业化，大批量生产和降低制作成本已经成为现在研究的重点。这一时期更加需要更多更好的性能的 OFET 器件的研究。1.3 OFET 的应用现如今，OFET 在集成电路，显示技术领域，传感器，逻辑电路中有了很大的应用，而无机半导体已经快要达到微型化的极限了。而且由于其诸多难点，将来极有可能是有机半导体取代无机半导体。1.3.1 OFET 在传感器中的应用如下图（图 1.3）所示，为有机场效应晶体管的空气传感器示意图，其中将半导体材料置于空气中，当空气与半导体材料接触时，则会改变
16、器件参数。一般为改变四个参数（1）改变有机薄膜的电导率，（2）改变晶体管的临界电压（3）改变二维场致电导率（4）改变场效应迁移率。图 1.2 关于双极性 OFET方面的文章发表文章统计表Fig Numbers of publications On Ambipolar OFET for every year表数量统计表天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书4让以上四个参数一个作为材料本身的性质，其他三个作为器件参数，这样就可以根据 I/V 图可以获得晶体管参数变化，从而可以检测出各种气体含量。利用这类传感器可以精准的测量 H2O, O2 , N2 等气体1.3.2 在大规模集成电路中的应用
17、在无机半导体中利用 n 型和 p 型半导体的互补逻辑电路，这样可以有效的解决能量损失问题。在有机半导体集成电路中可以仿照这样的做法。这样可以解决能量的损耗和增加性能的稳定性。2000 年 BELL 实验室中用 864 根场效应晶体管制成互补电路，其运行速度达到 1KB。1.3.3 在显示电路中的应用之前的 CRT 显示技术中，体积较大，看起来很笨重。后来 LCD 普及以后稍微有所改观，但是 LCD 也有响应时间慢，画面失真等这些缺点。如果用OFET 制作的显示，那么则会重量很轻，且易于弯曲。就像电子报纸一样随意的折叠，便于携带和减少空间占用。并且这样的器件可以用喷墨晶体管技术制作，那么就可以大
18、大的降低生产成本，像印刷书本报纸一样的印刷出这样的“电子纸”。并且采用有源矩阵（AM）制作的显示技术，比无源矩阵（PM）获得更大的视角，更大的对比度，和更大的色彩范围。这样的显示更加的清晰。图 1.3 OFET气体传感器结构示意图Fig1.3 The structure of gas sensor天津理工大学 2015 届本科毕业设计说明书5当然先如今将喷墨式打印 OFET 技术从实验室搬到大规模的工厂生产中还有诸多难点，但是这样的趋势是众多科学家所认同的。1.3.4 有机激光技术从上世纪九十年代初，就发现了有机高分子的电致发光，但是将其制作成激光器件还有很大的难度，第一因为激光制作要有大量的载流子注入，但是有机材料的电子迁移率却比价低，提高了载流子的迁移率就会降低发光效率，并且激光器会产生大量的热，这样会烧坏器件。在 2000 年 Bell 实验室研究组第一次制作出真正的有机半导体激光器。除了以上的几种应用，OFET 还在很多领域有大的应用，像电子卡，有机超导，电子识别器这些都有很多的应用。随着 OFET 制作工艺的日趋成熟，相信在未来的半导体世界中肯定有更多，更大的应用。图（1.4） 柔性的电子显示屏Flexible electronic display
