基于C60有源层有机场效应管的制作

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（C60)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（C60）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 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 necessary 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 fullerene (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, including 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31.3.2 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，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，这样降低杂质的浓度，减少载流子的散射，从而得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 Numbers of publications On OFET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1.3 OFET气体传感器结构示意图Fig1.3 The structure of gas sensor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。当然先如今将喷墨 图（1.4） 柔性的电子显示屏Flexible electronic display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。1.4 OFET所面临的问题与研究热点我们之前也阐述了，在近三十年的研究里面，每一个阶段都是有很大的困难，每一个时期都是有自身的研究热点。而在现在OFET已经开始大量研究，现如今的困难仍然是新材料的选取，制作工艺的精炼，以及界面的控制这几个方面。1.4.1 材料的选择材料的主要选择是关于有源层和绝缘层两个部分。其中有源层更多是保证高的迁移率，还要兼容它的光学特性，物理特性，化学特性。通过改变有机物的分子结构来获得相关的材料。而且在现在的研究材料中，大多是以P型材料为主，缺少N型材料的研究的。在集成电路中，需要P型半导体和N型半导体形成互补电路，减少能耗，增加稳定性能。另外绝缘层需要高的介电常数材料，这样就是在一定的栅压条件下，可以有更多的载流子附着在界面上。还需要一定的柔韧性。并且好的绝缘层材料可以有好的界面，可以减少载流子陷阱密度，这样也会提高载流子的迁移率。在电极和衬底的选择上也有一定的影响。电极一般是N型材料是选择低功函数的电极材料，P型电极一般是金（Au）这样的贵金属，在实际生产中必然要寻找价格便宜的材料，所以这也是一定的难点。1.4.2 成膜工艺的完善薄膜的成膜工艺有很多，一般有真空蒸镀，分子束外延生长，热壁生长，溶液旋转涂抹法等等。这些制备方法，每一种都有其优缺点，和对不同的工艺的实用。这些关系到OFET的生产成本和器件性能，在日常生产中，中和这些技术才能真正的做到成本低，性能好的OFET，当然比如还有喷墨打印这类的新型技术也在开发当中。1.4.3 界面的控制前文已经说过界面的平整可以减少载流子的陷阱密度，可以增加载流子的迁移率，所以界面的选择和修饰也是极为重要的。现如今有并五苯（pentacene）修饰的绝缘层还有氟化锂（LiF）修饰的PMMA绝缘层都是对其性能都是有很大的影响，但是就是现在还是不能很好解决载流子陷阱的问题，这一方面的研究也是众多科学家的研究的难点和热点。1.4.4 理论的不完善经过三十年的发展，有机半导体已经应用于诸多领域，但是其理论仍然延续无机半导体的理论，但是其中还是有很多东西是无机半导体理论所不能阐释的，比如载流子的传输理论，虽然有阐述不同的半导体的载流子传输模型，都有其局限性。目前关于其理论的阐述主要有分子理论中的能级的理论，或者是无机半导体的能带的理论。能级理论是建立在分子水平上的，它是否实用于有机半导体薄膜，或者凝聚态，这个暂时没有理论证明。而能带理论是建立在无机半导体的基础上的一种理论。它所适应的是无机材料的长程有序的分子结构，是否能够运用于有机半导体还是没有确定的依据的。所以现在关于有机半导体的理论有能级和能带理论的两个方向，各有其实用性。而真正的关于有机半导体理论是其中的哪一个，或者还是一种全新的理论，都有待于科学家的探索。1.5 本论文所研究的主要内容阅读有关OFET相关的文献，对OFET三十年来的发展的回顾与概括。了解现在的OFET国内外发展状况并讨论了现如今的OFET的困难与研究热点。对OFET的工作原理的阐述。并且比较了不同机构的OFET的优缺点，进行中间的甄别和挑选实验室中最适合的一种。确定好实验方案，尽量做到合理，经济，可靠。用PMMA作为绝缘层对C60OFET的制备，并对界面修饰的OFET性能的比较。对本次制作的OFET的性能检测，分析，看晶体管是否达到性能要求。分析其中的数据，现象，解释这些实验结果。对本次实验的总结和对OFET的将来的展望 第二章 关于OFET的基本结构与基本理论在OFET的器件中，有很多器件结构，其中大体可分为垂直结构和平行结构。现如今，关于OFET的理论尚不完善，只是根据之前所有的分子能级理论和有机半导体的能带理论进行演绎推理。2.1器件结构关于OFET，它是多层薄膜的结构，其包含有有衬底，栅极，源极，漏极，绝缘层和有源层（又称半导体层）。其中最主要的有源层是有机材料构成的，现在在其它几个结构中也偏向有机材料。根据半导体的栅极和电极之间的位置不同可分为底栅顶接触（bottom gate and top-contact device)、底栅底接触结构(bottom gate and bottom-contact device)、顶栅底接触型(top gate and bottom contact device）和顶栅顶接触结构(top gate and top-contact device)，每一种结构都有其优缺点。下面就是对这四种结构的具体分析。2.1.1底栅顶接触如图2.1所示,这就是底栅顶接触的示意图，在这其中，先是在衬底上作一层栅极，又加上绝缘层，然后就是再加上一层有源层，最后镀上电极。在这种结构中，半导体器件受栅极电压影响较大，这样具有较大的载流子迁移率，较高的饱和输出电流。因为在有机物上蒸镀金属时，半导体材料表面的分子排布并不是那么的紧致，容易使得金属介质渗透于其中，使得接触更加的充分，从而电阻变小。相反，如果在金属表面蒸镀有机物，金属表面的原子排布很紧致，所以有机分子很难渗入其中，所以这样的电阻就比较大。而且这样还可以用其它材料来修饰绝缘层，这样也可以增大载流子的迁移率。基于这些考虑这次我们实验采用的就是这样的结构。但是这样的结构也有其缺陷，就是这样的结构其沟道的宽长比有一定的限制，由于这样的镀膜，需要用的是掩膜版的辅助镀膜，而这样的掩膜版至少都要几十微米，所以做不到最好的宽长比。图2.1底栅顶接触Fig 2.1 bottom gate and top-contact device2.1.2底栅底接触这样的结构是在衬底上依次镀上栅极，绝缘层，然后就镀上电极，最后在留好的沟道上镀上一层有源层。这样可以将源漏极之间的距离做得很小，然后由于先做电极后做半导体层，这样有利于大规模生产，所以实际生产中大多是这样的结构。而且这时候，有源层裸露在外面，可以通过这样的结构可以做成空气传感器，或者是化学传感器。但是这个缺点前文已经说过了，先镀电极后镀半导体层只会使得之间的接触不是特别的充分，从而电阻较大。而且这样的构造，载流子的迁移率也会降低很多。不同的结构各有各的优缺点吧。 图2.2底栅底接触结构Fig2.2 bottom gate and bottom-contact device2.1.3顶栅底接触上面的两种结构都是底栅结构，而这种结构则是顶栅结构。这种结构的制作时，先在衬底上通过光刻工艺或者掩膜工艺先制作出源漏两个电极。然后镀上有源层，其次是绝缘层，最后堵上一层栅极。这样的结构的优点是可以很好的控制好长宽比，而且这样的栅极面积会很大。这样很容易在栅极上结合其他材料，比如在OFET的栅极上作为发光二极管的阳极，这样就是可以把OFET和OLED相结合了。但是这样的结构也有其缺点，在有源层上加上一层绝缘层难度很大，如果绝缘层是无机的，那么高温很有可能将有源层的有机材料破坏，如果是有机材料，那么不管是旋转还是溅射这两方面都会很使得这两种有机物互溶。所以说这样的结构适合集合，但是它的制作工艺最难。图2.3顶栅底接触型Fig 2.3 top gate and bottom contact device2.1.4顶栅顶接触这种构造至今报道中很少出现，因为这样的结构是在有机层材料上镀上电极，这样的做法的难度刚刚已经有描述了，在有机材料上镀上无机材料，这样的制作高温很会将有机材料破坏，并且这样接触也不完全，电阻比较高，迁移率低。所以很少看到关于这样结构的报道，大众的结构还是上面的三种。 图2.4顶栅顶接触结构Fig 2.4 top gate and top-contact device当然还是有一些其他的结构的，比如垂直结构，双极栅结构。垂直结构就是就是相当与把上面的结构旋转900罢了，双栅极结构就是底栅定接触和倒放的底栅底接触。这样可以获得很大的载流子迁移率。在本次实验中，综合各种考虑，选择了底栅顶接触结构。2.2 OFET的基本原理和主要参数前文已经阐述过了，有机半导体的理论现在尚不完备，有些问题和现象还是不能很好的解释，但是在无机半导体基础上所形成的理论已经很大方面解释现在的现象了，所以在本文中依然沿用无机半导体理论来解释有机半导体。2.2.1 OFET工作的基本原理图2.5 OFET工作原理图Fig 2.5 Work principle scheme of OFET如图2.5所示，OFET是一种由电压控制其功能的一种器件，由源极提供电荷流入沟道中，漏极收集从沟道中流过来的电荷。当在栅极之间加入一定的电压后，会在有源层和绝缘层处形成一段电荷累积。这时候整个OFET就像是一个平行板电容器，栅极就是电容器的一极，而沟道则是电容器的另一极，当改变栅极电压时，也就是改变沟道中的电荷密度。改变了沟道的宽度时，也就是改变了其中的电流电流大小。所以说OFET是一种压电控制器。 2.2.1OFET的输出特性下面我们以P型半导体为例，如图2.6所示，当源漏电极之间Vds=0时，这时候沟道中的电荷随机排布，当源漏之间有电压时，其中沟道中有微小的电流，并且这时候载流子很少，整个OFET处于闭合状态，当栅极出有加入电压时，有了电压偏置，那么，那么沟道中就会有电荷累积，从源极注入电荷，漏极收集沟道中的电荷。在沟道中形成电流，则是OFET处于开启状态。当然界面的陷进可图2.6 P型OFET工作原理图Fig 2.6Work principle scheme of p-type OFET以限制电流的传输。 经研究发现，当源漏电极极电压Vsd比较小时，具体的是|Vds|Vg-Vth|，器件处于线性区域工作，这时候源漏之间的电流如公式（2.2）所示。（2.2）OFET的输出特性和无机半导体中的MOS管相似，但是MOS管有电荷耗尽模式，而OFET只有累积模式，并且在MOS管中有载流子的反转，但是有机场效应管总却是没有这种现象的。图2.7 OFET的输出特性曲线Fig 2.8 The output characteristic of OFET.0.如图2.8所示，这是OFET的输出特性曲线。在图形中我们可以看出，起初当源漏电压变大时，Id呈线性增长,当电压达到一定值时，电流达到饱和电流。可以看出当栅极电压越大时，其电流增大速率越大，达到饱和电流的源漏电压越高。除了输出特性曲线，OFET另一个重要的特性就是转移特性曲线。如图2.8所示，在这幅图中，横轴是栅极电压，纵轴一边是源漏电极之间电流的1/2次，一边是电流对数比。图2.8 OFET的输出特性曲线Fig 2.9 The transfer characteristic and Id1/2-VG curve of OFET2.3 OFET的重要参数对于OFET而言，其最重要的参数就是（1）载流子迁移率，（2）开关电流比，（3）阈值电压，（4）亚阈值斜率。这几个参数也就是器件性能的直接反映。（1）载流子的迁移率 就是载流子，即电子或者空穴在电场中的漂移速度。其中载流子的迁移率也决定了集成电路中的位移率。所以在商业用途中迁移率不能低于1cm2/Vs。在其他的用途中，迁移率也不能低于0.01cm2/Vs。迁移率与分子结构和材料性质有关。特别是共轭结构和有机活性材料的聚合状态，还有温度，材料的纯度，电极之间的电阻都有关系。现在的有机材料的迁移率已经达到这样的水平了，在最近的报道中，基于并五苯的OFET的迁移率已经是达到了3.3cm2/Vs，开关电流比也已经有106了。（2）开关电流比开关电流比即为Ion/Ioff,这是OFET中的重要参数，在其他的有机半导体材料中，比如OLED其工作的开关电流比必须超过108。对器件的纯度的要求和对器件材料的特殊处理，比如退火处理，这样都能提高开关电流比。在之前的报道中，已经有人将开关电流比做到了108了，而通过上图2.8可以直接算出开关的电流比，也可以算出阈值电压（3）阈值电压阈值电压，又称为开启电压，指当栅极电压达到这个值时，OFET电路就会开启，阈值电压与界面的陷阱密度有关，也与材料，电极之间的接触性有关。现在研究发现，其实关于沟道的修饰也能改变器件的阈值电压。（4） 亚阈值斜率亚阈值斜率就是在电压开关之间时的电压跨度，是OFET的另一个重要的参数，亚阈值斜率越高，说明器件的反应时间越短，反应越快。2.4材料的选取在OFET材料中我们需要选择一些具有稳定电学特性和化学特性，还需要很好的健共轭体系。因为如果健共轴在与源漏之间的最短方向上，那么这时载流子传输速度最快，也就是增大了载流子的迁移率。所以在选择好的健体系的同时，也应该有好的制模工艺和好的成长方向。而且在有机半导体中，影响载流子的迁移率的重要因素是分子间的范德华力。所以在选择或者制备材料时候，要尽可能的提高有机材料的纯度，降低分子之间的距离和调整之间的无需状态，这样可以很好的提高分子之间的载流子迁移率，并且一般而言，小分子或者低聚合物分子的载流子迁移率都会高于高分子迁移率，所以在选择材料的时候一般是采用小分子或者低聚合物。在有机半导体中根据其类型可以分为n型和p型的半导体。在有机半导体中这样的分类主要是在关于载流子的运输能力上划分的，如果是对电子的运输能力大于对空穴的运输能力，那么就是属于n型的，反之就是p型的。前面已经说过了，现在对p型材料的研究已经很多了，但是对于n型材料，还是很少，但是在集成电路中需要互补来降低能耗。但是n型材料更多的是容易被氧化，受温度和湿度的影响比较大。在现在的研究材料里，p型材料一般小分子居多是，这样可以有高的迁移率。而且小分子也易于提纯，小分子的平面结构也会大大的降低势垒，大大的增大载流子的迁移率。如图2.9所示，就是典型的几种p型材料图2.9 典型的P型半导体材料分子结构Fig.2.9 Molecular structural formula of p-type organic materilas相对于p型材料，n型材料较少，本身的不稳定，易氧化这些因素就使得这样的材料很少，这些问题一般是通过调节分子之间的亲和能或者是在其表面加上一层钝化层来进行包装。图2.10就是现在研究的几种n型材料。图2.10 典型N型半导体材料的分子结构式Fig.2.10 Molecular structural formula of n-type organic materials除了关键的有源层材料，还有绝缘层材料，绝缘层材料也有有机材料和无机材料。在无机材料中SiO2,Al2O3,ZrO2，Ta2O5，Si3N4，等材料，这些材料的好处就是介电常数比较高，化学性质也比较稳定，耐高温，还不容易被击穿。但是它们也有无机材料的共同的缺点，就是它的非柔性化，固态高温，限制了他们向微型化，柔性化，还有低成本方面发展，所以在将来的研究生产活动中，用有机材料替代无机材料是必然的趋势。有机材料就是种类多，可以与柔性的基底相容，并且可以用溶液生产，表面制作比较容易，成本还很低。所以本次我们实验还是用的是有机材料。如图2.11就是几种典型的绝缘材料。图2.5 典型有机绝缘体材料分子结构Fig.2.5 Molecular structural formula of organic dielectric materials关于电极材料的选取，一般是Al，Au，Ag，也会有Ga，ITO这样的金属。在这些材料的选取上，要遵循金属半导体接触理论，也就是在选择时，要将金属的功函数与半导体材料的能级相结合，但是一般，功函数较低的材料容易在空气中氧化，这样使得电极不稳定。这时候会将功函数低的金属与功函数高的金属相融合，制成合金材料，这样既能降低功函数，又能提高材料的稳定性，比如有镁银合金这样的电极。如下表，是关于各种电极材料的功函数介绍。金属AgAlAsAuBBa功函数/eV4.24.23.75.24.52.7金属BeBiCCaCdCe功函数/eV54.252.84.22.9金属BeBiCCaCdCe功函数/eV54.252.84.22.9金属GaGdHfHgInIr功函数/eV4.23.13.94.54.25.2金属CoCrCsCuEuFe功函数/eV54.52.14.72.54.5金属GaGdHfHgInIr功函数/eV4.23.13.94.54.25.2金属KLaLiLuMgMn功函数/eV2.33.52.93.33.74.1金属MoNaNbNdNiOs功函数/eV4.62.84.33.25.24.8金属PbPtRbReRhRu功函数/eV4.25.62.2554.7金属SbScSeSiSmSn功函数/eV4.63.55.94.82.74.4金属SrTaTbTeThTi功函数/eV2.64.3353.44.3金属TlUVWYZn功函数/eV3.83.64.34.63.14.3表2.1常见金属的功函数介绍除了以上的几种部分的材料选择，还有衬底材料，衬底材料选择是根据不同的制作工艺和不同的功能而选择的，一般需要一定的厚度和一定的强度。在本次实验中，我们选用的是玻璃衬底。2.5薄膜制取工艺在薄膜制取的工艺是事关OFET能否很好实现其性能的关键因素。所以关于制模工艺，也随着研究的越来越多，变得越来越成熟，越来越理想。所以本文就介绍几种常见的薄膜制取工艺。（1） 真空镀膜真空镀膜，顾名思义，就是在真空的条件下，进行薄膜制取。真空的制作工艺分为物理气相沉积和化学气相沉积这两种。物理气相沉积（PVD）又包括有离子镀膜，热蒸发镀膜，溅射镀膜这些技术。热蒸发镀膜就是将物质气化，然后蒸镀上器件上的一种技术。而离子镀膜就是带点的离子，通过电场的加速，然后附着在器件表面的一种技术。而溅射镀膜分为直流溅射和射频溅射两种，两种也是带电离子通过电场加速，然后溅射到靶心，然后再将靶心物质朝一个方向射去，形成薄膜。真空镀膜的优点就是膜的均匀性，纯度都比较好，而且薄膜的厚度也容易控制，这样的优点使得制成的薄膜的性能比较稳定，能够做出理想的薄膜器件。但是这样做的设备要求高，所以成本就会高。目前实验室中会运用这种技术研究器件，但是商业生产就是受到成本限制，这种技术运用的比较少。化学气相沉积（CVD）将薄膜所需要的材料中的元素或者化合物，进行蒸发，蒸镀，然后在器件表面相互反应，形成所需要的薄膜。这种技术生长出的薄膜，紧致，均匀并且稳定。在传统的无机半导体中，基本上都是采用这种技术。并且随着集成电路的日趋完善，这样技术薄膜制取也是越来越完善。CVD技术又分为常压化学气相沉积，低压化学气相沉积，也有离子化学气相沉积。现在CVD技术已经运用于很多的工业生产制造中了。（2）溶液法加工成膜法在溶液法成膜工艺就是用溶液加工的方法制得所需薄膜，在实验中，小分子大多是是由气相沉积所获得，但是像一些高聚合物分子，就是通过溶液法加工获取，溶液法加工不需要像真空镀膜的那种高要求的设备，成本相对较低，所以在将来的生产活动中，这样的方法很有潜力的。现在的溶液法大多是可分为旋涂法，液滴铸膜，流延成膜这几种方法。旋涂法就是基片固定在旋转托盘上，上面滴上薄膜溶液，然后旋转托盘，使得其中的溶液具有离心力，然后均匀涂抹在基片上，并且可以通过转速和旋转时间计算薄膜的厚度。液滴铸膜的方法是不需要旋转，直接在相应的位置上滴上薄膜溶液，然后让它自然散开，最后自然固化的方法，但是这样的方法有很多难点，薄膜的厚度形貌难以控制，并且薄膜的厚度也不容易控制均匀。这种方法就是制作方法比较简单，但是需要很多注意的地方。比如基片上的温度，溶液和基片之间的表面张力液滴的浓度这些的。流延的方法就是，在基片的一段滴上溶液，然后有一定角度的倾斜，让整个溶液流淌过整个基片，最后形成一定厚度的薄膜。然后这样的制作工艺也有之前的液滴法的缺点，成膜的膜的厚度不容易控制，膜的均匀性也不能很好的控制。（3）LB成膜工艺LB膜是一种超薄单分子或者多分子层的一种有机薄膜，具体而言，就是利用双亲分子在水面上形成一层单分子膜，然后再将单分子膜固定到器件上，这种技术已经运用到现在的OFET制膜技术中了，但是这种技术所得到的迁移率总体较低。因为在制模的同时，降低了分子的平面性，从而降低了分子间的迁移率。除了以上的三种制膜工艺，还有印刷工艺，喷墨工艺，单晶工艺等。这些技术的日趋成熟也会大大的增加器件性能，并且也可以运用到商业生产中。第三章 基于C60有源层有机场效应管的制作3.1实验准备在此次实验中，我们采用了玻璃衬底，ITO作为栅极，PMMA作为绝缘层，C60作为有源层，然后Al作为源漏电极，制作出底栅顶接触的OFET，在本次实验所用的所有器材如下表所示图3.1实验器材表运用C60所制成的有机场效应管的示意图如下图3.3 C60分子结构图图3.2 插入并五苯钝化层的C60-OFET 结构示意图 本次实验的流程也如下图 Fig 3.2 Schematic diagram of C60based Fig3.3 Molecular structure of C60.本次实验的流程如下图所示图3.4 本次实验流程图3.2基于C60有源层的OFET制作过程3.2.1 基片的清洗对于基片清洗，就是洗去ITO上的杂质和一些油渍之类的。这一步是第一步，也是很关键的一步。因为对杂质的清洗，直接关系到最后的成品率问题，在本次实验中我们依次采用了以下的清洗步骤。（1） 用水洗，在超声波清洗装置中清洗十五分钟。（2） 用乙醇手洗十五到二十分钟，直到，栅极ITO中没有水痕出现，清水自动离开为止。（3） 用去离子水洗两到三遍，看看表面是否有有水痕。（4） 然后用丙醇在超声波机器中洗十五分钟（5） 然后用异丙醇在超声波清洗机中洗十五分钟（6） 如果不干净再从头再来一次（7） 然后用烤箱烘烤十分钟，烤干基片这一段工序很繁杂，但是却也是关键的步骤。3.2.2 制备有机绝缘层本次的绝缘层是运用的是有机材料PMMA，用旋转涂抹的方法制成绝缘层薄膜。一般现在聚合物都是用这种方法旋抹的方法陈本低，操作方便，但是就是材料浪费比较严重。先将基片固定在托盘上，再在基片上均匀涂抹PMMA，涂抹完毕后，打开匀胶机，转速调到800r/min，旋转6s后，又改用1800r/s，旋转10s关闭匀胶机。这样PMMA就涂抹完毕，放入退火箱中进行退火处理，将退火箱加热到1200,退火两小时，则此时绝缘层制备完毕。其中PMMA也需要清洗以去除杂质，并且对旋转的时间转速要严格控制，不然会达到不一样的薄膜厚度。3.2.3真空蒸镀有源层即源漏电极在本次实验所用的是C60,是小分子，在真空中容易蒸镀。先将一定量的C60放入钼（Mo）舟中，然后先用机械泵将空气抽至5x100Pa，然后再用分子泵抽至4x10-4Pa，此时真空已经抽取完毕，在加上高电压高电流，此时电流加载到15A，开始蒸镀C60,当厚度达到120nm时停止蒸镀，加气压，然后起开真空泵，舟中放入Al，再按照刚刚的抽真空的步骤，再将真空抽到4x10-4Pa以下，把电流加到95A，然后进行蒸镀到120nm时，结束蒸镀，此时有源层和电极的蒸镀就完成了，OFET就制作完成。3.3 OFET的性能检测由于C60容易在空气氧化，所以检测时，在无光照的N2的手套箱中进行检测，手套箱也是隔绝水分的作用，所以在漏极和栅极加上正向电压进行检测。首先，经过检测，其输出特性和和转移特性曲线如下图所示Fig3.6 The transfer characteristic and Id1/2-VG curve of OFET图3.5 C60-OFET输出特性曲线图3.6 C60-OFET转移特性曲线Fig3.5 The output characteristic of OFET根据图3.5可以看出，当源漏电压Vds升高时，源漏电流Ids也呈线性升高，但是达到一定的值时，就会趋于平缓，达到饱和电流的区域，并且在随着栅极电压的增大，其增长的速度也增大，其饱和电流也增大。但是其达到饱和电流的Vds却差不多。在VGS为60V时，在Vds为60V时其饱和电流达到1.1810-5 A。然后根据载流子迁移率公式计算可以得到此时的场效应管的迁移率是2.13x10-1cm2/Vs 。其实这样的迁移率是不能应用商业生产，在最近的研究中可以发现，当用并五苯修饰后的绝缘层，它的迁移率足足可以高出一个量级，而那样的迁移率就可以运用于商业生产。其中除了迁移率，也可以通过图3.6转移特性曲线可以看出，这个器件的开关电流比是1.2x105这样的开关电流比也完全符合OFET材料的要求，另外它的阈值电压是2.3V，这样的阈值电压