（凝聚态物理专业论文）基于并五苯的光敏场效应晶体管的研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 传统结构有机光敏场效应晶体管( p h o t o f e t s ) 具有工艺复杂和输出电流较低等 缺点。为了提高器件性能，可以采用垂直结构以缩短沟道长度。本论文选用具有 较高载流子迁移率的并五苯制备并研究了垂直构型光敏场效应晶体管( 垂直 p h o t o f e t s ) 的光敏特性。通过研究有机和无机介电材料以及修饰中间灿源极对 p h o t o f e t s 性能的影响，得到了以下几方面的结论： 首先，我们制备了并五苯薄膜并表征了其光敏特性。实验结果表明：并五苯 薄膜具有较好的结晶度，成膜性良好。其厚度越大，对光的吸收也越强，明暗电 流比也越大。 其次，我们制备了基于并五苯的垂直p h o t o f e t s ，研究了不同介电材料对器 件性能的影响： ( 1 ) 以无机l i f 作为介电层制作了垂直p h o t o f e t s ，发现其光敏特性不够明 显，其原因是a l 源极与并五苯之间较高的势垒不利于界面处聚积的空穴隧穿。采 用v 2 0 5 超薄层修饰了中间金属a 1 电极，发现加入v 2 0 5 超薄层后的器件明暗电流 比则从2 提高到3 5 ，光响应度为0 0 7 w 。通过a f m 表征灿电极表面形貌，发 现经过v 2 0 5 修饰的a l 电极表面粗糙度明显降低，改善了并五苯与金属a 1 源极间 的界面接触。v 2 0 5 起到过渡势垒的作用，有助于载流子注入从而提高了器件性能。 ( 2 ) 以有机p v a 作为介电层制作用p h o t 0 f e t s ，其中2 2 0n l i l 厚的p v a 为介电 层制备的垂直p h o t o f e t s 具有较好的性能，明暗电流比为3x1 0 2 ，光响应度达0 1 w 。此外，我们制备并表征了p v a 薄膜，其表面平均粗糙度仅为o 3 4n n l ，表明 p v a 具有良好的成膜性。 ( 3 ) 选用高介电常数的c y e p l 为介电层制备的垂直p h o t o f e t 器件表现出n 型增强型特性，明暗电流比为1 6 ，光响应度为0 6m m w ，其性能不如以p v a 为 介电层的器件。我们认为这是高介电常数的c y e p l 由于偶极子高度混乱而产生定 域态，导致能级失配，而且界面处容易产生随机的偶极场，使载流子定域化不断 加强，从而导致器件性能不够理想。 关键词：垂直构型有机场效应晶体管；并五苯；介电材料；光敏 分类号：0 4 7 1 5 ；0 4 7 2 + 4 ；0 4 8 4 。4 北京交通大学硕士学位论文 a bs t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，p h o t oo r g a n i cf i e l d - e f f e c tt r a n s i s t o r s ( p h o t o f e t s ) w i t hl a t e r a ls t r u c t u r e h a v ed i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sc o m p l i c a t e df a b r i c a t i n gp r o c e s sa n dl o wo u t p u tc u r r e n t i n o r d e rt oi m p r o v ed e v i c ep e r f o r m a n c e ，av e r t i c a ls t r u c t u r ei si n t r o d u c e dt os h o r t e nt h e c h a n n e ll e n g t h i nt h i st h e s i s ，w ef a b r i c a t e dv e r t i c a lp h o t o f e t sb yu s i n gp e n t a c e n ew i t h h i 曲c h a r g ec a r r i e rm o b i l i t ya n di n v e s t i g a t e dt h e i rp h o t o r e s p o n s i v ec h a r a c t e r i s t i c s t h e i n f l u e n c eo fo r g a n i ca n di n o r g a n i cd i e l e c t r i cl a y e r sa sw e l l 嬲am o d i f i c a t i o no f a l u m i n i u ms o u r c ee l e c t r o d eo nt h ep e r f o r m a n c eo fp h o t o f e t sw a ss t u d i e da n d c o n c l u s i o n sa r ed r a w na sf o l l o w s ： f i r s t l y , w ep r e p a r e dp e n t a c e n et h i nf i l m sa n ds t u d i e dt h e i rp h o t o r e s p o n s i v e p r o p e r t i e s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep e n t a c e n et h i nf i l m sh a dg o o dc r y s t a l l i n i t y t h e a b s o r p t i o na n di 州l d 瀛r a t i oi n c r e a s e dw i t ht h et h i c k n e s so fp e n t a c e n e t h ep e n t a c e n e t 1 1 i nf i l mw i t ht h et h i c k n e s so f10 0 姗w a ss u i t a b l ef o r p h o t o f e t s s e c o n d l y , w ef a b r i c a t e dv e r t i c a lp h o t o f e t sa n di n v e s t i g a t e dt h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n td i e l e c t r i cm a t e r i a l so nd e v i c ep e r f o r m a n c e ( 1 ) v e r t i c a lp h o t o f e t sw i t hl i f 嬲ad i e l e c t r i cl a y e rw a sm a d ea n di tw a sf o u n d t h a tt h er e l a t i v eh i g he n e r g yb a r r i e rb e t w e e na ia n dp e n t a c e n ep r e v e n t e dh o l e sf r o m i n j e c t i n g ，w h i c hc a u s e dp o o rp h o t o r e s p o n s i v ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e r e f o r e ，t h e a 1 s o u r c ee l e c t r o d ew a sm o d i f i e db yau l t r a - t h i nf i l mo fv 2 0 5 ，w h i c hh e l p e dt h ep h o t o d a r k c u r r e n tr a t i oi n c r e a s ef r o m2t o3 5a sw e l l 弱p h o t o s e n s i t i v i t yu pt o7 0m a t h ea f m i m a g eo fa l u m i n i u ms u r f a c em o r p h o l o g ys h o w e dt h es u r f a c er o u g h n e s so f t h ea 1s o u r c e e l e c t r o d em o d i f i e db yv 2 0 5d e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y , w h i c hi m p r o v e dt h ei n t e r f a c e c o n t a c tb e t w e e np e n t a c e n ea n da 1e l e c t r o d e v 2 0 5a l s op l a y e dar o l eo fl o w e r i n gt h e e n e r g yb a r r i e ra n di n d e e de n h a n c e dt h e h o l ei n j e c t i o n ( 2 ) a v e r t i c a lp h o t o f e tw i t h2 2 0i l i ap v aa sd i e l e c t r i cal a y e rh a db e r e td e v i c e p e r f o r m a n c e i t sp h o t o d a r kc u r r e n tr a t i or e a c h e d3x 10a n dt h ep h o t o s e n s i t i v i t yw a s 0 1a w w ep r e p a r e dap v a p o l y m e rf i l mw i t ham e a n s u r f a c er o u g h n e s so f0 3 4n m ， i n d i c a t i n gg o o dm o r p h o l o g yf o r p v a ( 3 ) t h ev e r t i c a lp h o t o f e tu s i n gc y e p lw i t hah i g hd i e l e c t r i cc o n s t a n ta st h e d i e l e c t r i cl a y e rs h o w e dn t y p ee n h a n c e m e n tm o d ew i t hp h o t o d a r kc u r r e n tr a t i ob e i n g 16a n dp h o t o s e n s i t i v i t yb e i n g0 6m a w ot h er e a s o nf o ri t sp o o rb e h a v i o rw a st h e e n e r g e t i cd i s o r d e rd u et ot h el o c a l i z e ds t a t e sb e c a u s eo fh i g hd i p o l a rd i s o r d e ri nt h eh i 曲 北京交通大学硕士学位论文 a bs t r a c t d i e l e c t r i cc o n s t a n tm a t e r i a l sa sw e l la sc a r r i e rl o c a l i z a t i o ne n h a n c e db yi n s u l a t o r sw i t h l a r g ep e r m i t t i v i t i e sd u e t ot h er a n d o md i p o l ef i e l dp r e s e n t i n ga tt h ei n t e r f a c e k e y w o r d s v e r t i c a lo r g a n i cf i e l d - e f f e c tt r a n s i s t o r ；p e n t a c e n e ；d i e l e c t r i cm a t e r i a l ； p h o t o s e n s i t i v e c l a s s n o ：0 4 7 1 5 ；0 4 7 2 + 4 ；0 4 8 4 4 v 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲挝因签字日期：砷年 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期w q l 年 夯也园 月1 日 致谢 本论文的工作是在我的导师娄志东老师的悉心指导下完成的，娄老师严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在研究生学习期间，我的 科研能力和思维等方面都得到了极大的锻炼和提高。娄老师对我的谆谆教诲我将 时刻铭记在心，她严谨的做事风格和学习态度更使我受益终身! 在此衷心感谢两 年来娄老师对我的关心和指导。 杨盛谊教授对于我的科研工作和论文都提出了许多宝贵的意见，在此表示衷 心的感谢。感谢徐叙珞院士为我们开创的良好的工作环境和学习氛围。感谢北京 交通大学光电子技术研究所及各位老师给予的诸多关心和帮助。 在实验室工作及撰写论文期间，杜文树师兄、齐洁茹师姐、孟令) i i n 兄、尹 冬冬、陈小川等诸多同学对我的研究工作给予了热情的帮助，与他们也进行了诸 多有益的讨论，在此也向他们表达我的感激之情。 另外，要特别感谢我的父母、亲人和朋友，他们的支持和理解使我能够在学 校专心完成我的学业，鼓励我走好人生的每一步，在此对他( 她) 们表示最崇高 的敬意与最衷心的感谢。 北京交通大学硕+ 学位论文 引言 1 1研究背景 1 引言 场效应晶体管( f e t s ) 是利用电场控制半导体材料导电性能的有源器件，它具有 输入电阻高、噪声小、功耗低、没有二次击穿现象以及安全工作区域宽等优点， 现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者，成为微电子行业中的重要元 件之一。今天，f e t s 在数据存储电路、逻辑放大电路、整流电路、光电集成电路、 以及平面显示电子器件等集成电路中都发挥着不可替代的作用。目前，无机薄膜 f e t s 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 问题。因此，使有机半导体材料取代传统的无机材料成为当前研究的热点之一。 自从第一个有机场效应晶体管( o f e t s ) i 】被报道以来，传统结构( 即水平结构) 的有机薄膜晶体管( o t f t ) 一直是国内外研究的热点。高性能( 场效应迁移率为2 7 g ：1 1 1 2 v s ，开关电流比为1 0 8 ) 、多功能( 双极、超导) o f e t s 以及光电集成电子器件( 由 o f e t s 驱动的发光二极管) 等的出现，使o f e t s 的研究取得了突破性的进展，将为 实现全有机电路打下基础。近几年研究的重点集中在新有机材料的合成、薄膜形 态及结构控制、o f e t s 的集成器件以及利用单晶有机晶体管来研究载流子传输的 深层次问题等等。然而，传统结构的o f e t s 源、漏电极的接触电阻和沟道电阻是 影响器件性能的主要因素，同时，在制作过程中需要光刻工艺，对有机薄膜的有 序性产生一定的影响，进而影响器件的整体性能。有机晶体管由于材料的迁移率 相对较低以及开关电流比依赖于沟道长度等因素，使它们的性能和微型化受到限 制。因此，利用垂直结构来减小o f e t s 的沟道长度成为目前研究的新方向。 有机光敏( 电) 场效应晶体管( p h o t o r e s p o n s i v eo r g a n i cf i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r s ， p h o t o f e t s ) 的研究是基于o f e t s 之上发展起来的。目前，国内都是采用传统结构 的f e t s 来研究有机材料的光诱导效应，p h o t o f e t s 方面的报道不多【2 巧】。与有机光 敏( 电) 二极管以及有机双极光敏( 电) 晶体管相比，p h o t o f e t s 具有较高的增益和信 噪比。而且，由于p h o t o f e t s 与o f e t s 具有相似的结构，与其它的有机光电探测 器相比，更方便将其与o f e t s 集成到电路中。p h o t o f e t s 可以用作光诱导开关、 光触发放大、探测电路以及在p h o t o f e t s 阵列中作为高灵敏的图像传感器。因此， p h o t o f e t s 在实现全有机图像传感器的研究中具有很好的前景。 北京交通大学硕士学位论文 引言 1 2光敏场效应晶体管的发展概况和应用前景 1 2 1 光敏场效应晶体管的发展概况 早在1 9 8 6 年，t s u m u r a 等人【l 】用聚噻吩制作了第一个o f e t 器件，虽然其载 流子迁移率很低( 只有l f f 5c i i l 2 n $ ) ，却引发了o f e t s 的研究热潮。此后近二十年 来，o f e t s 无论是其本身性能还是开发应用都得到了飞速发展。 1 9 9 4 年，g a m i e r 等人【6 】利用打印法制备了全聚合物的o f e t s ，其场效应载流 子迁移率达到0 0 6e m 2 v s ，为o f f t s 的廉价和大面积制备奠定了基础。1 9 9 6 年， k a t z 等人【7 】研究了并五苯薄膜的形态结构与器件性能的关系。1 9 9 7 年，l i n 等人【8 】 用并五苯制备的o f e t s 的载流子迁移率为1 5c m 2 n $ 、开关电流比达到1 0 8 ，该器 件的性能已经超过了无定型硅f e t s 器件的性能。而且，o f e t s 在制造成本、制备 条件等方面比无定型硅晶体管具有更大的优势，利于o f e t s 实现工业化生产。1 9 9 9 年，g u n d l a c h 等人【9 】报道，使用硅烷修饰s i 0 2 介电层制作出的并五苯f e t s 载流子 迁移率能达到2 1e m 2 v s 。2 0 0 3 年，s c h r o e d e l 等人【1 0 】研究了用并五苯作为有机半 导体层及其厚度对器件阈值电压、饱和电流等特性的影响。2 0 0 5 年，c h u 等人【l l 】 使用金属氧化物金属的双层电极来制备薄膜晶体管，其场效应迁移率达0 4 锄2 v s ，提高了器件的性能。在这期间，c u i 等人【1 2 】将传统的双栅极晶体管应用到 o f e t s 中，制作了并五苯的双栅极场效应晶体管，其阈值电压为2 2v ，场效应迁 移率为0 1c n l 2 v s ，开关电流比为3 8 x 1 0 3 。相比于单栅极的有机晶体管，双栅极 的有机晶体管在相对低的工作电压下，具有更高的漏极输出电流和场效应迁移率， 并且可分别调节两个栅极电压而具有更好的调控能力。 在此基础之上，开始有人利用光照在有机半导体层上以期望提高其源漏电流， 从而得到高增益。2 0 0 1 年，n a r a y a 等人【1 3 】以p 3 0 t ( p o l y ( 3 一o c t y l t h i o p h e n e 一2 ，5 - d i y l ) ) 为半导体，以p v a 为绝缘层制备了底接触型p h o t o f e t s ，其明暗电流比m 棚镜曲达 1 0 2 一1 0 3 ，阈值电压( 所) 为一5v ，载流子迁移率为l o 一一1 0 4 c m 2 v $ 。2 0 0 2 年，k i m 等 人【1 4 j $ 恪t p 并五苯n 硅有机光电二极管，并用6 7 0n n l 的单色红光照射到并五苯 上，观察到明显的光电效应，光响应度达2 6a w ，光响应时间小于4 0n s 。 2 0 0 4 年，h a m i l t o n 等人【l5 j 用f 8 t 2 ( p o l y ( 9 ，9 - d i o c t y l f l u o r e n e - c o b i t h i o p h e n e ) ) 为半 导体层，b c b ( b e n z o c y c l o b u t e n e ) 为绝缘层制作了有机聚合物光电器件。在光照条 件下，关态漏电流显著增加；光照强度从0 增加到2 9w c m 2 时，阈值电压下降将近 1 0v ，而场效应迁移率不发生变化；偏压下器件在强积累区的响应度达0 7m 6 删， 关态下器件的光灵敏度接近1 0 3 。x u 等人【1 6 】用禁带宽度为2 2 5e v 的三元聚合物 b a s - p p e ( 2 ，5 一b i s ( d i b u t y l a m i n o s t y r y l ) - l ，4 一p h e n y l e n e - b - a l k y n e b - l ，4 - b i s ( 2 一e t h y l h e x y l ) 2 北京交通大学硕士学位论文引言 b e n z e n et e r p o l y m e r ) 为半导体材料制备了顶接触型p h o t o f e t s ，在4 t w 的光强下， 昂棚d 。旷6 1 0 3 ，光敏感度为5m a w 。 2 0 0 5 年，d e e l l 等人【1 7 】m p 3 0 t ( p o l y ( 3 一o c t y l t h _ i o p h e i l e ) ) 制作了聚合物薄膜器件。 在1 7m w c m 2 的光照条件下，器件源漏电流显著增加，在亚阈值区最大光灵敏度 达1 0 4 ，宽带响应度最大值达1 6 0m a w ，而且还发现光照能降低阈值电压，但并不 能改变其载流子迁移率。 2 0 0 6 年，c h o i 等人【5 】分别用并四苯和并五苯为半导体层，半透明的n i o 。为源漏 电极，s i 0 2 p + - s i 为衬底制作了薄膜器件。结果表明，并四苯在可见和紫外区有极 好的光吸收，而且开关电流比为3 1 0 3 ；而并五苯虽然具有较高的场效应迁移率， 但其开关电流比只有1 0 。h u 等人【1 8 】采用并五苯为半导体层，分别用t a 2 0 5 和 p m m a ( p o l y m e t h y lm e t h a c r y l a t e ) 为绝缘层对比了器件性能。在1 0m w c m 2 的光照 下，t a 2 0 5 为绝缘层的器件的b d l d 破= 4 0 0 0 ，v r = 1 3 5v ，而p m m a 为绝缘层的器件 的而与所分别只有0 5 和2 9v 。实验表明绝缘层对光电晶体管的性能有很大影 响。 2 0 0 7 年，d e b u c q u o y 等人【1 9 】用并五苯制作了p h o t o f e t s 器件，发现阈值电压与 光照时间和栅压有密切关系。t a n g 等人【2 0 】采用f i 6 c u p c ( c o p p e r h e x a d e c a f l u o r o p h t h a l o c y a n i n e ) 为半导体材料制备的底接触型的p h o t o f e t 的最大 五，l 矗达到4 5 x l c ( = - - 6 0v ) 。g a o 等人【3 6 】在硅衬底上先氧化生成一层氧化膜 层，然后再用d b t d t ( d i b e n z o d ，d t h i e n o 3 ，2 - b ；4 ，5 一b d i t h i o p h e n e ) 为半导体材料制 备的器件的载流子迁移率为o 5 1c n l 2 n $ ，p t 如r k 达到了4 5 x 1 0 6 。 1 2 2 光敏场效应晶体管的应用前景 高灵敏度的光电探测器是获得图像传感器的基本部件。最常见的有机光电探 测器是光电二极管，它由一层或多层有机材料夹于两电极之间而制得，这种结构 器件的光电流并没有得到放大，而且光一电增益是很有限的。有机双极光电晶体管 是另一种较普遍的光电探测器，其中的光电流是通过电流一电流的放大而被放大， 虽然增益大于1 的情况在理论上是可能的，但在实际应用中仍然受到限制。 在有机光敏场效应晶体管中，f e t s 的跨导起到了放大光电流的作用。典型的 p h o t o f e t s 具有与o f e t s 相同的结构，都具有三个导电极( 即源极、漏极和栅极) 以及一层有机半导体层。p h o t 0 0 f e t s 具有高的增益和信噪比，能够放大光电流， 可用作光诱导开关、光触发放大、探测电路等，是实现全有机图像传感器的基本 器件。而且p h o t o f e t s 与其它有机光电探测器相比，更便于将其同o f e t s 集成到 电路中从而提高集成度。因此，p h o t o f e t s 在实现全有机图像传感器方向有着广阔 北京交通大学硕士学位论文 引言 的前景。 1 3光敏场效应晶体管中存在的问题和发展趋势 p h o t o f e t s 的研究在国内仍处于起步阶段，其理论还需要进一步完善，性能 还需要进一步提高。当前的问题主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 传统的半导体能带理论都是建立在无机半导体材料基础上，有机半导体材 料的真正出现是七十年代以后的事情，有机半导体材料的分子聚集状态不同于无 机半导体材料，目前对于有机材料中载流子传输的理论研究还并不彻底。虽然大 部分研究者认为h o l s t e i n 的小极化子模型能够比较好地解释有机材料中载流子的 传输过程，但是这方面仍存在一定争论。而且通过建立在无机半导体的基础之上 来研究有机半导体材料，必然会忽略掉有机半导体自身特有的一些性质，因此对 有机半导体的导电机制还有待于更深入的了解，这样才能以较好的理论基础获得 更优异的p h o t o f e t s 特性。 ( 2 ) 大多数有机材料载流子迁移率过低、1 1 型半导体较p 型半导体少导致材料 单一，寻找迁移率高，光敏特性好的有机材料还需要做出更多努力。增益和信噪 比比较低，因此还需要更为深入的研究器件性能以提高增益和信噪比。 ( 3 ) 大气环境下器件的稳定性和寿命还有待提高。 对于以上的一些问题，我们在寻找更高迁移率的有机光敏材料以及高介电常 数的绝缘材料的同时，还要加强对机理的更深层次的研究。并且在器件结构等方 面做出改善，以得到增益和信噪比较高、稳定性好且使用寿命长的p h o t o f e t s 。 1 4本文主要的工作 传统结构的有机薄膜晶体管在制作过程中仍需光刻工艺，对有机薄膜的有序性 产生一定的影响。有机晶体管由于材料的迁移率相对较低以及开关电流比依赖于 沟道长度等因素，使其性能和微型化受到限制。本论文采用以缩小沟道长度为目 的的垂直结构，并充分利用并五苯的较高载流子迁移率，发挥各自的优势制备新 型的光敏场效应晶体管。 本文主要以并五苯为有机光敏半导体层来制备垂直结构有机光敏场效应管， 并研究影响晶体管器件性能的参数。首先对并五苯薄膜进行表征和光敏特性测试， 选择最佳并五苯厚度来制备垂直结构光敏场效应晶体管。其次，我们通过使用不 同的介电材料制备垂直构型光敏场效应晶体管来研究介电层对器件性能的影响， 优化了器件结构，并分析了影响器件性能的因素。 4 北京交通大学硕士学伸论文 有机光敏场效应晶体管的上作机理、制作及表征 2 有机光敏场效应晶体管的工作机理、制作及表征 2 1有机光敏场效应晶体管的结构和工作原理 有机光敏场效应晶体管按照其结构分为传统结构光敏场效应管和垂直结构光 敏场效应管，下面就详细介绍一下两种不同结构光敏场效应晶体管的工作原理。 2 1 1 传统构型p h o t o f e t s 及其工作原理 传统构型的光敏场效应晶体管以有机半导体为光敏材料，其结构与传统结构 o f e t s 相似，电分为顶接触型和底接触型两种，如图2 1 所示1 4 ”。顶接触型 p h o t o f e t s 的主要特点是，源漏极远离衬底，有机半导体层和绝缘层直接接触，在 制作过程中可以通过修饰绝缘层以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在底 部的器件结构。底接触型p h o t o f e t s 的主要特点是，有机半导体层蒸镀于源漏电极 之上，可以通过光刻方法同时制各源漏电极，简化了制备工艺。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。因而源漏电极在底的器 件结构就具有比较大的优势。传统构型p h o t o f e t s t 作原理p q 是，在光照条件下有 机材料内部产生激子并分裂为自由载流子。在未施加栅压的时候，器件在光照下 产生的光生载流子只是集中在半导体的表面，并且电子和空穴很容易湮灭，所以 源漏极之间很难导通。在施加栅压的情况下，激子有效地分裂成为电子和空穴， 并且在电场的作用下在半导体内部漂移，载流子在半导体靠近绝缘层一侧聚集， 形成沟道。沟道宽度随着栅压的增加而增大，从而提高器件的工作电流，使得光 电流得到放大。 绝缘体层 绝蝽体层 图2 1 水平结构光敏晶体管：( a ) 顶接触型，( b ) 底接触型 北京交通人学硕士学值论文有机光敏场效应晶体管的工作机理、制作及表征 2 1 2 垂直构型p h o t o f e t s 及其工作原理 垂直构型p h o t o f e t s ”堤以垂直构型场效应晶体管( 垂直o f e t s ，) 为基础的一 种光电晶体管。垂直o f e t s 通过以半导体层厚度为淘道长度有效地缩短了沟道长 度，并且利用栅压来控制源漏电流变化。采用这种新型结构制备的o f e t s 器件的 沟道长度由微米量级降至纳米量级，极大地降低了器件的丌启电压、提高了器件 的工作电流。但是这类晶体管的不足之处在于漏一源一栅在同一竖直面内，彼此间 存在寄生电容而导致零点电流发生漂移，一般通过放电处理后可咀避免这种现象 的出现。 图2 2 为垂直构型p h o t o f e t s ，为了使有机半导体层能有效吸收光子，需要选 用透明的漏极或者透明的衬底、栅极、绝缘层及源极。工作区的半导体层在光照 下吸收光子并形成激子，由于介电层在栅压下形成一个电容区，可以使工作区的 光生激子有效地分裂为正负载流子。载流子在靠近栅极的界面处积累。随着被陷 载流于不断的积累，这种内建载流子不断地改变f e t 的阐值电压，通过栅压可以控 制源极和有机层之自j 的有效能量势垒，调节有机层中的载流子数目，这样就能够 转化为放大的电流。 t+ 源极 绝缘屡 绀疽 图2 - 2 垂直构型光敏场效应晶体管 对于以上两种光敏场效应晶体管，尽管二者结构不同，但都是基于相同的光 敏场效应理论，即在光照条件下，有机材料内部产生激子并紧接着分裂为自由载 流子，其中的一种载流子被陷在器件内的载流子陷阱中成为内建载流子，并改变 f e t s 的阈值电压，从而可以使电流得到放大。器件能够有效地产生光生自由载流 北京交通大学硕士学位论文有机光敏场效应晶体管的工作机理、制作及表征 子、有效地俘获其中一种载流子并且具有良好的场效应晶体管特性是p h o t o f e t s 获得高增益的必要条件。 2 2 有机光敏场效应晶体管的材料 目前p h o t o f e t s 使用的材料按器件构造来分，包括以下几个部分：有机光敏 半导体层、栅绝缘层、源电极、漏电极、栅电极和基底等。下面我们就这几种材 料做详细介绍。 2 2 1有机光敏半导体层 有机光敏半导体是在有机半导体的基础上发展起来的。有机材料的低折射率 以及与之相应的透明衬底( 塑料或者玻璃) 都使光能有效地耦合在器件中，从而得到 潜在的高量子效率。宽的吸收光谱和高的吸收系数( 1 0 5 c m 。1 ) ，以及可以利用其电 学和光电子学特性来满足特殊的应用或特殊的光谱范围，这些都激起人们对有机 材料在光电探测和太阳能转换等方面的应用。 对于传统的半导体材料来说，比如单晶硅，是共价键结合起来的空间三维结 构，原子问很强的共价键使得它的价带和导带的宽度都比较大，载流子的传输发 生在离域的状态【2 1 1 ，因此载流子的迁移率比较大。但是在低电导率的材料如无定 型硅或者有机半导体中情况却大不相同，例如，用于o f e t s 的有机半导体材料大 都是具有丌共轭体系的分子，带隙宽度大约在0 7 5 3e v 。它们一般能形成分子晶 体，分子间以比较弱的范德华力相互结合，导致它们的价带和导带的宽度都比较 小，电性能主要取决于单个分子的性质，载流子的传输是定域化的【z 1 1 ，迁移率比 较低。因此，如何提高有机半导体的迁移率就成为研究的核心问题。 1 、p 型材料 目前，研究显示p 型材料比n 型材料具有更好的稳定性和更高的载流子迁移 率，而且此类有机半导体材料也较多。p 型半导体材料主要分为三大类：高分子聚 合物，低聚物以及有机小分子材料。 ( 1 ) 高分子聚合物 较早应用于制作o f e t 的有机半导体材料为聚噻吩【1 1 。当时采用电化学聚合直 接成膜的方法来制备器件有机层，由于高聚合物的大共轭结构使其不易溶解，使 其成膜性并不是很好，成膜方法成为其首要解决的问题。通过应用化学修饰和可 溶性前驱体的方法，能够合成聚3 取代噻吩、聚噻吩乙烯、聚对苯乙烯及聚苯撑 7 北京交通大学硕十学位论文 有机光敏场效应晶体管的t 作机理、制作及表征 等材料，解决了此类材料的可溶性问题，使得此类材料得到较多应用。图2 3 是几 种聚噻吩衍生物的分子结构式。 o h 图2 3 几种聚噻吩衍生物的分子结构 但是，由于取代基较大，分子在聚合过程中并不是按照严格的顺序首尾相接 地进入分子链，造成分子链不规整，成膜后分子间堆砌不够紧密，分子间的j i 电 子云不能有效重叠，而使载流子跃迁距离增大，造成分子的迁移率低。为了改善 分子薄膜的有序性，人们合成了区域有序的聚烷基噻吩。采用此类有机材料制得 的晶体管场效应迁移率可达0 0 4 5c m 2 v s ，开关电流比在1 0 3 以上比川 从总体上来说，由于高分子聚合物难于提纯，而且分子链不易长程有序，晶 体中缺陷较多，俘获载流子的陷阱较多，所以其载流子迁移率一般比较低，在场 效应管中的应用受到很大的限制。但高分子聚合物薄膜可以采用涂膜、甩膜和l b 膜等方法制备，方法简单，成本低廉，此外还具有机械性能好，热稳定性，适合 制备大面积器件等优点，因此还是吸引了很多学者来研究。 ( 2 ) 低聚物 1 9 8 9 年g a m i e r 组【4 2 】使用六聚噻吩做为有机半导体层制备的o t f t 器件场效应 迁移率比使用聚噻吩制备的器件有了很大提高，此后有关低聚噻吩的研究引起了 人们的广泛关注。与高分子聚合物相比，低聚物在有机场效应晶体管中有很多优 势。低聚物可以通过修饰分子的结构如烷基取代等方式来改善分子的有序性，通 过调整分子的结构和长度来控制其载流子的传输。因此，低聚物在有机场效应晶 体管中得到了广泛的应用。此类低聚物主要是噻吩类，如四聚噻吩( 4 t ) 、五聚噻吩 ( 5 t ) 、六聚噻吩( 6 t ) 、八聚噻吩( 8 t ) 以及它们的正烷基取代衍生物，图2 4 所示为 几种低聚物的分子结构式。这类材料具有较高的载流子迁移率，而且易于提纯， 又具有良好的溶解性。通过改变噻吩环的个数和取代基的种类，还可以提高o f e t 器件的性能，是一种极具应用前景的有机材料。 北京交通入学硕士学位论文 有机光敏场效应晶体管的1 = 作机理、制作及表征 6 t 8 t 图2 - 4 低聚噻吩的分子结构 ( 3 ) 有机小分子材料 有机小分子化合物都具有一定的平面结构，能自组装成多晶膜因此都具有较 高的载流子迁移率。有机小分子材料的特点是具有良好的分子对称性和刚性，容 易纯化，具有良好的溶解性，成膜方法比较多，载流子迁移率较高。常应用于有 机场效应晶体管的小分子材料有并苯类、酞菁类、及一些稠环分子( 如二苯并噻 吩、红荧烯等) ，如图2 5 所示。 图2 5 葸、并四苯、并五苯和红荧烯的分子结构 9 北京交通人学硕十学位论文有机光敏场效应晶体管的j f 作机理、制作及表征 并五苯是目前应用最为广泛、性能最优良的有机小分子材料，其结构式如图 2 5 中所示。并五苯是由五个苯环并联而成，本身具有一个对称中心、三个对称面 和三个二重对称轴，属于d 2 h 点群。 在高真空下采用分子束沉积方法制备的多晶并五苯薄膜晶体管，室温下迁移 率可达到3 8c m 2 n s 。另外，用高纯并五苯单晶制备的o f e t s 在室温下迁移率可 以达到2 7c i i l 2 v s 。2 0 0 4 年，j u r c h e s c u 等【2 6 j 发现，高纯无缺陷的并五苯单晶的迁 移率甚至达到3 5 - - 5 8e m 2 n s 。但与高分子材料相比，其最大不足之处是并五苯比 较脆弱，很难涂在其它材料上，只能使用真空蒸镀的方式沉积。 酞菁一直以来主要被应用于太阳能电池和传感器等领域，但研究发现它在电 荷传输方面也有不错的表现，而且这种材料能在空气中稳定性较好，使其向实用 化迈出了一大步。酞菁在4 0 0 以下比较稳定，在真空中易蒸发形成均匀的薄膜从 而适合制备出性能良好的o f e t 器件。酞菁可以与不同的金属配位形成金属酞菁 化合物，制得的有机晶体管大多是p 型。 2 、n 型材料 与p 型材料相比，n 型材料发展比较缓慢。8 羟基喹啉铝和嗯二唑衍生物p b d 是较早被研究的n 型材料，广泛应用于有机和高分子发光二极管( l e d ) 器件中， 但由于易结晶和相容性差等缺点限制了其发展。用于f e t s 的n 型有机半导体材料 种类较少，这是因为此类材料对空气及湿度非常敏感，使器件性能对环境非常敏 感，并且多数1 1 型有机半导体材料的迁移率较低而限制了n 型材料的实用化。目 前n 型有机半导体基本上为小分子材料，其中c 6 0 的性能较好，载流子迁移率可达 到6c r n 2 n s 2 7 1 。而较稳定的1 1 型有机半导体材料主要集中在金属酞菁类化合物上。 其中全氟代铜酞菁( f 1 6 c u p c ) 效果最好，由其作为半导体材料制成的器件的载流子 迁移率达到0 0 3c m 2 n s ，器件暴露于空气中数月后仍具有较高的载流子迁移率。 2 2 2 栅绝缘层 在早期，o f e t s 的研究主要集中在有机半导体材料本身，针对晶体管其它部 分材料的研究报道相对比较少。随着有机场效应晶体管性能的提高，人们逐步意 识到相关辅助材料对晶体管性能有很大影响。基底、电极和绝缘层材料都会对器 件性能产生影响，尤其是栅绝缘层材料的性质会大大影响晶体管的主要性能指标。 对绝缘材料的一个最基本要求是要具备较高的介电常数，这一方面有利于感 应出更多的沟道载流子，另一方面还对提高载流子迁移率有好处，这些都可大大 降低器件的工作电压。绝缘材料可以分为有机和无机两种。 l o 北京交通大学硕士学位论文有机光敏场效应晶体管的工作机理、制作及表征 传统的无机绝缘材料有二氧化硅( s i 0 2 ) 、氮化( f j ! ( s i 3 n 4 ) 和三氧化二铝( a 1 2 0 3 ) 等。二氧化硅的密度在2 2 2 7g c m 3 之间，介电常数是3 2 3 8 2 ，s i 0 2 的生长工艺 比较成熟，有热氧化法、磁控溅射法等。氮化硅的密度在2 7 8 2 8 2e d e m 3 之间， 介电常数为6 2 9 8 ，主要采用磁控溅射法；三氧化二铝的介电常数为9 9 6 。其中 a 1 2 0 3 的介电常数最大，用它做绝缘层的f e t s ，其开启电压较低。这些无机绝缘材 料具有耐高温、化学性质稳定、不易被击穿等优点，但是其固相高温和非柔性加 工等缺点则限制了其在晶体管微型化、大面积柔性显示、大规模集成电路、低成 本溶液加工生产中的应用。 有机绝缘材料与柔性基底有良好的相容性，能应用于低成本的低温、溶液加 工技术，这是o f e t s 实现商业化的关键所在。目前应用于o f e t s 的有机绝缘材料 包括聚酰亚胺( p i ) 、聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 、苯并环丁烯( b c b ) 、聚乙烯醇 ( p v a ) 、聚乙烯苯酚( p v p ) 及氰乙基普鲁烷( c y e p l ) 等。 h o r o w i t z 等人【2 8 】研究了半导体与绝缘层的界面接触对器件性能的影响，发现 载流子传输主要取决于绝缘层和半导体界面的性质，选用不同的绝缘材料可以得 到不同的载流子迁移率。在同等条件下用高绝缘常数的材料充当绝缘层制得的晶 体管的场效应载流子迁移率相对比较高，采用有机的氰乙基普鲁烷充当绝缘层， 得到的晶体管的载流子迁移率要比采用二氧化硅充当绝缘层的晶体管的载流子迁 移率高将近两个数量级。 2 2 3电极 电极材料是另一类重要的辅助材料，常用电极材料有金属的铝、金、铂、铬， 氧化铟锡0 t o ) 、石墨和聚苯胺等。目前，在选择金属材料作为