（材料物理与化学专业论文）垂直构型有机光敏场效应晶体管的研究.pdf

中文摘要 大规模集成电路技术和终端显示技术已成为高速发展的信息化社会的支柱技 术。传统的半导体工艺存在制备工艺复杂、不适合于柔性衬底和大面积生产以及 生产成本高等不足。有机半导体材料由于具有轻质、廉价以及可与柔性衬底相兼 容等诸多优点而广泛应用于光电子领域。基于光诱导效应的有机光敏场效应晶体 管的跨导可以用来放大光电流，是实现全有机图像传感器很有前景的器件，是光 敏晶体管研究方面的前沿课题。 本论文从改进晶体管的结构入手，制备出了垂直构型的有机光敏场效应晶体 管。使器件在制作过程中省去光刻等复杂工艺的同时将沟道长度降到了纳米量级， 详细地分析了影响垂直构型有机光敏场效应晶体管( v e r t i c a lp h o t o f e t s ) 性能的 各种因素。 首先，制备并表征了基于m e h p p v 的v e r t i c a lp h o t o f e t s 及其光敏特性。研 究了不同介电层对器件光电性能的影响。在i t o 玻璃上以s i 0 2 为栅介电层的器件 在源漏电压v d s = 5v 且栅压v g s = 4v 时的“开关”电流比约为8 ，“明暗 电流 比约为5 0 ，光敏感度为4 6m a w 。m e h p p v 光敏层为9 0l l n l 时器件的光敏性能 相对较好。 其次，制备并表征了基于p e n t a c e n e 的v e r t i c a lp h o t o f e t s 及其光敏特性。在 i t o 玻璃上以s i 0 2 为栅介电层的器件在v d s _ l ov 且v g s _ 4v 时的“开关 电流 比约为7 0 ，“明暗”电流比约为1 2 ，光敏感度为1 2m a w 。以l i f 为栅介电层的 器件在v d s = 1 0v 和v g s = 4v 时的“开关 电流比约为6 ，“明暗 电流比约为 4 0 ，光敏感度为8m a w 。p e n t a c e r t e 光敏层为8 0h i l l 时器件的光敏性能相对较好。 另外，我们用开放环境高温氧化法在硅基上氧化生成1 8 0n n l 氧化硅为栅介电 层并制备了完整器件。以m e h p p v 为光敏层的器件在源漏电压v d s = 5v 和栅压 v g s = 2v 时的“开关”电流比约为6 ，“明暗 电流比约为1 0 ，光敏感度为1 3a w 。 以p e n t a c e n e 为光敏层的器件在v d s = 2v 和v g s = 5v 时的“开关 电流比约为1 2 0 ， “明暗 电流比约为3 0 ，光敏感度为2 2 a w 。在硅基上制备的器件因其漏电流较 大，界面处聚集电荷较多使得源极与半导体层之间形成的肖特基势垒易被隧穿， 导致器件的源漏电流较大，并且出现了零点漂移现象。 关键词：绝缘层；m e h p p v ；p e n t a c e n e ：“开关”电流比；“明暗电流比 分类号；0 4 7 1 5 ：0 4 7 2 + 4 ；0 4 8 4 4 j 也塞交通太堂亟堂包论塞垦量i 堡! a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h eh i g h s p e e dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o n i z a t i o n , l a r g es c a l e i n t e g r a t e dc i r c u i t st e c h n o l o g ya n dt e r m i n a ld i s p l a yt e c h n o l o g yb e c o m et h em o s t i m p o r t a n ts u p p o r tt e c h n i q u e si ni n f o r m a t i o n - b a s e ds o c i e t y t r a d i t i o n a ls e m i c o n d u c t o r t e c h n i q u e sh a v ed i s a d v a n t a g e ss u c ha sc o m p l i c a t e dp r e p a r a t i o ne n g i n e e r i n g , n o ts u i tf o r f l e x i b l es u b s t r a t ea n dl a r g ea r e a p r o d u c t i o n , a n dh i g hi n v e s t i n gc o s t o r g a n i c s e m i c o n d u c t o r sh a v e b e e ne x t e n s i v e l yu s e di np h o t o e l e c t r o n i c sb e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e so f l i g h t n e s s ，l o w - c o s ta n dc o m p a t i b l et o f l e x i b l es u b s t r a t e b a s e do n p h o t o i n d u c e de f f e c t ， 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 ) c a na m p l i f yp h o t o g e n e r a t e dc u r r e n tb y i t st r a n s c o n d u c t a n c e w i t ht h e i rw i d ea p p l i c a t i o n s p h o t o f e t sh a v er e c e n t l yb e e nd e m o n s t r a t e da sa k i n do fp r o m i s i n gd e v i c e si nf a b r i c a t i n gf u l lo r g a n i cd i s p l a y sa n do r g a n i cp h o t o d e t e c t o r s ，a n di th a s b e c o m ea ni m p o r t a n tl e a d i n gt o p i ci no r g a n i ct r a n s i s t o r i nt h i sp a p e r , b yf o c u s i n go ni m p r o v i n gt h es t r u c t u r eo fp h o t o f e t s ，w ef a b r i c a t e dt h e v e r t i c a lp 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 ( v e r t i c a lp h o t o f e t s ) i nw h i c ht h e c h a n n e ll e n g t hc a nb er e d u c e dt on a n o m e t e r s ，a n di td o e s n tn e e dt ou s el i t h o g r a p h y n ep e r f o r m a n c eo fo u rd e v i c e sw a sc h a r a c t e r i z e da n df a c t o r s a f f e c t i n gt h e i r c h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e di nd e t a i l f i r s t l y , m e h p p v - b a s e dv e r t i c a lp h o t o f e t sw e r ef a b r i c a t e da n dc h a r a c t e r i z e d a n dt h ei m p a c to fd i f f e r e n ti n s u l a t i n gl a y e r so nd e v i c ep e r f o r m a n c ew a si n v e s t i g a t e d t h e “o n o f f c u r r e n tr a t i o ( o dl 够、) q t8a n dt h ec u r r e n tr a t i ou n d e rl i g h tt ot h a ti n d a r kq 州i d & 曲q t5 0a n dl i g h ts e n s i t i v i t yi s4 6m a ww a so b t a i n e dw i t hs i 0 2a s i n s u l a t i n gl a y e rw h e nt h e 如s = 一5va n d1 g s = 4vt h et h i c k n e s so fm e h p p vl a y e ro f9 0 n 1a st h ep h o t o s e n s i t i v e l a y e r i nv e r t i c a lp h o t o f e t ss h o w sar e l a t i v e l y g o o d p e r f o r m a n c e s e c o n d l y , p e n t a c e n e b a s e dv e r t i c a lp h o t o f e t sw e r ef a b r i c a t e d ，a n dt h ei m p a c to f d i f f e r e n td i e l e c t r i cl a y e r so nd e v i c ep e r f o r m a n c ew a s i n v e s t i g a t e d t h e 厶方o f7 0 ，m e l 刊i d 斌q t12a n dt h el i g h ts e n s i t i v i t yo f12r n a ww e r eo b t a i n e dw i t hs i 0 2a s i n s u l a t i n gl a y e rw h e nt h ei d s = l o va n di g s - - 4n t h ei l 嗡o f 6 ，t h e p 0 i d 斌r a t i oo f 4 0 a n dt h el i g h ts e n s i t i v i t yo f8 m a ww e r eo b t a i n e dw i t hl i fa si n s u l a t i n gl a y e rw h e nt h e o s 。10va n d 尼s = 4vt h et h i c k n e s so fp e n t a c e n el a y e ro f8 0n l t la st h ep h o t o s e n s i t i v e l a y e ri nv e r t i c a lp h o t o f e t ss h o w sar e l a t i v e l yg o o dp e r f o r m a n c e f i n a l l y , w eu s et h eo p e ne n v i r o n m e n to fh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o nt ot h e o x i d a t i o no fs i l i c o nf o r18 0 n ms i l i c o no x i d ea sg a t ed i e l e c t r i cl a y e ra n dt op r o d u c ea c o m p l e t ed e v i c e 矾ei i 皤艟6 ，t h ei 州l d 斌醚1 0a n dt h el i g h ts e n s i t i v i t yo f1 3 鲥 w e r eo b t a i n e dw i t hm e h p p v 瑟p h o t o s e n s i t i v el a y e rw h e nt h e 如s = 一5va n di o s = 2v 百味i i 呵o f12 0 。t h ei 刚i d 娥q t3 0a n dt h el i g h ts e n s i t i v i t yo f2 2 鲥嘲w e r eo b t a i n e d w i t hm e h - p p va sp h o t o s e n s i t i v el a y e rw h e nt h e 岛s = 一2va n d 昆s 一5vb e c a u s eo ft h e d r a i nl e a k a g ec u r r e n ta n dt h ec h a r g ec a r r i e r st u n n e l i n gs c h o t t k yb a r r i e rd u et ot h em a s s c o l l e c t i v ec h a r g e sa tt h ei n t e r f a c e s ，s i - b a s e dd e v i c e sg e tab i go p e r a t i n gc u r r e n t ，a n dt h e p h e n o m e n ao fz e r o p o i n ts h i f t i n go c c u r s k e y w o r d s ：i n s u l a t i n gl a y e r ；m e h p p v ；p e n t a c e n e ；0 0 l 皤c u r r e n tr a t i o ；l 州i d 溅 c u r r e n tr a t i o c l a s s n o 0 4 7 1 。5 ；0 4 7 2 + a ；0 4 8 4 4 v 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。 学位论文作者签名：硒心、1 签字日期如夕年么月夕日 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) 垴：萋形 0 日 江吖 签 j ， 者 一砰 致谢 本论文的工作是在我的导师杨盛谊老师的悉心指导下完成的，杨老师严谨的 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。杨老师对我的谆谆教诲我将 时刻铭记在心，他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 年来杨老师对我的关心和指导。 娄志东副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、孟令川师兄、齐洁茹师姐、袁 广才博士、田雪雁博士、尹冬冬、施园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! 1 1引言 1 绪论 在信息化高速发展的今天，大规模集成电路技术和终端显示技术成为信息化 社会的两大重要支柱技术。高灵敏度的光电探测器件是获得图像传感器的重要部 件。由于常见的有机光电探测器( 如光电二极管和有机双极光电晶体管等) 存在 着激子快速湮灭和增益小等方面的不足，使得其在应用中受到一定的限制。随着 有机场效应晶体管及其在光电集成器件方面研究的突破性进展，有机光敏场效应 晶体管便应运而生。 有机光敏场效应晶体管( 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 ) 又称“有机场效应光敏( 电) 晶体管”。场效应晶体管的跨导可以用来 放大光电流。典型的p h o t o f e t s 具有与有机场效应晶体管( o f e t s ) 相同的结构， 都具有三个导电极( 即源极、漏极和基极) 以及有机半导体层和绝缘层。光诱导 效应是光敏场效应晶体管的工作基础，其应用非常广泛。各种有机小分子和聚合 物半导体制作成的p h o t o f e t s 已有报道，如用纯的聚噻吩【1 1 、聚芴【2 1 、双功能的螺 旋化合物【3 】和聚亚苯基乙炔撑的衍生物【4 】等都得到了o 5 。1 a w 的敏感度。 p h o t o f e t s 的发展离不开o f e t s 的研究进展。传统的有机薄膜晶体管在制作 过程中仍需要使用光刻技术，对薄膜晶体管的有序性产生了一定的影响，进而影 响整个器件的性能；同时，源、漏电极的接触电阻和沟道电阻也是影响器件性能 的主要因素之一。有机晶体管由于材料的迁移率相对比较低以及“开关”电流比依 赖于沟道长度等因素，它们的性能和微型化受到限制。为了适合工作频率高的应 用，通常利用垂直结构来减小o f e t s 中的沟道长度从而提高工作频率【5 15 1 。 目前，国内都是采用传统结构的场效应晶体管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 1 6 - 1 9 j 。与有机光敏( 电) 二极管以及有机双极光敏( 电) 晶体管相比，工作在场效应晶体管的“关”态的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，把p h o t o f e t s 与o f e t s 集成到电路中会更加的方便而简单。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 是实现全有机图像传感器的很有前景的器件。 1 2p h o t o f e t s 的结构和工作原理 = 弘卜一弦善孕脚每嗽，i 卜。， 本征能级之差，岛是半导体材料的介电常数，m 是半导体的掺杂浓度，q 是单位电 其中v r 是阈值电压。这个时候和v d s 成线性关系， 线性区。这里的阈值电压巧可以用下面的公式表述： 纠九+ 孕 这也就是晶体管中常说的 ( 1 - 3 ) 具甲f 是绝缘材科阴巧r 电帚效。遇辽( 1 。2 ) 瓦阁迫电导g o s 相垮导孙口j 以分别 表示为： g 珊2 l a o l o si ；w 。眶( 一巧) ( 1 - 4 ) 如2 l a a i d sl f ：一w 心， ( 1 - 5 ) 当源漏电流饱和以后，源漏电流和跨导分别可以表示为： k 删= 万w 删c , ( v o 一_ ) 2 ( 1 - 6 ) 铲l 别2 和吲 m 7 ， 那么缘忡区和饱和反的彗流子 千穆塞就可d 诵讨走下公式得剥 2 一 厂 i 御v d 一, 5 - l 胪丽万丽l 瓦i ： 一嚣( 2 v d $ = c o i t ) ( 1 - 8 ) ( 1 - 9 ) 对于o t f t ，同样沿用无机薄膜晶体管的理论，源漏电流可以用如下公式表述， k ：孚心，( 一一争) ( 1 - l o ) 其中阈值电压野可以表述为： 巧：掣( 1 - 1 1 ) 乙 其中n 为半导体中给体( 对于n 型半导体) 或者受体( 对于p 型半导体) 的 浓度。饱和区的源漏电流公式和无机金属绝缘栅晶体管一样。上述o t f t 的基本 参数都是通过器件的输出特性和转移特性得到的。 从中我们可以看出要得到一个性能优良的o t f t 不仅需要性能优良的半导体 材料和绝缘材料，而且器件的沟道长度也是影响器件性能很重要的因素。因此科 研人员在寻找性能优良的半导体材料和绝缘材料的同时也在器件结构方面做了一 些改变以减小沟道长度对器件性能的影响。 同时，半导体材料的光敏性能是至关重要的。当光透入半导体时，如果材料 中给定距离处的光子流为吒( x ) 那么在半导体内e 随工的变化正比于e ( z ) ，即： 冬盟：一峨( x ) ( 1 1 2 ) 式中，口是吸收系数。求解上式，得到 兄( x ) = 疋( 0 ) e 嵋 ( 1 - 1 3 ) 吸收系数口就是光子流衰减为表面处的值的1 e ( 3 7 ) 的距离。 然而，当光从表面入射时，会有一部分反射。当光折射率不同的两种材料界 面界面入射时会发生菲涅耳反射。对于垂直入射，反射系数r ( 或者说是入射光 子在材料l 和材料2 界面处被反射的比例) 为 r ：f l r e f l e c t e d ：( 盟) 2 ( 1 1 4 ) ，ln l + n 2 式中，e ，是入射光子流，以是材料折射率。表面处的投射系数丁为 丁：1 一r ：一兰坐互：( 1 1 5 ) ( n l + 力2 ) 2 在光照条件下，有机材料内部产生激予并紧接着分裂为自由载流子其中有 一种载流子被陷在器件内的载流子陷阱中。事实上，p h o t o f e t s 是一种不断内建被 陷载流子的集成器件。这种内建载流子不断的改变f e t s 的阈值电压，这样就能够 转化为放大的电流这是有机光敏场效应晶体管的理论基础。要能够产生高的增益 就必须能够有效地产生光生自由载流子、良好的场效应晶体管特性以及能够有效 的捕捉某一种载流子。对于不同的有机半导体材料，许多人己注意到了光照条件 下o f e t s 的漏电流增强行为【3 , 4 | 2 2 丑】。 按照源极和漏极的相对位置，通常p h o t o f e t s 分为传统结构( 即源极和漏极与 沟道几乎在同一水平面) 和垂直构型( 即源极和漏极与沟道垂直) 两种器件结构， 下面分别叙述。 12 1 传统结构p h o t o f e t s 及其工作原理 传统结构p h o t o f e t s 是采用传统水平场效应晶体管的器件结构并选择有机半 导体为光敏材料制成的。与传统结构o t f t 相类似，传统结构p h o t o f e t s 也分为丁贞 接触型和底接触型两种，如图1 1 所示。两种结构都是在衬底上分别制作栅极、绝 缘层、有机半导体层。不同的是顶接触型器件的源极和榍极在有机层顶部，而底 接触型器件的源极和漏极在有机层的底部口“。在光照时，有机材料内部产生激子 井紧接着分裂为自由载流子。在没有施加栅压的时候，器件在光照下产生的光生 载流子只是在半导体的表面并且电子和空穴很容易湮灭，所以源漏极之问很难 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 用下在半导体内部移动，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。 由于电极位置以及载流子注入限制的不同而使得项接触型器件的迁移率和“开，关” 电流比均比底接触型器件的高口】，多采用底接触的器件结构。 8i + + ld i 盘_ d i e l e c t r i c 韭塞鹜盟点芏鳃主芏焦监窑 缝监 d i e l e c t r i cd i e l e c t r i c _豳。_ e 圈f 圈1 。1 有机薄膜场效应晶体管基本i ? ；d 2 ；：墨嚣；? ：w 底栅低接触型；扣顶栅顶接触型；( d ) 顶栅低接触型。 l2 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 是以垂直构型场效应晶体管( v e r t i c a lo f e t ，v o f e n 1 3 - 1 5 为基础的一种光电晶体管。垂直构型p h o t o f e t s ( v e r t i c a lp h o t o f e t s ) 由于v o f e t 独特的优势，目前已受到广泛的关注。图2 所示的v e r t i c a lp h o t o f e t s 要求漏极是透 明的。光从漏极照射，工作区的半导体层吸收光子能量形成激子。介电绝缘层在 栅压下形成一个电容，能使得工作区的光生激子有效地分裂为正负载流子，载流 子在靠近漏极和栅极的界面处积累。髓着被陷载流子不断的积累，这种内建载流 子不断的改变f e w s 的闽值电压，通过栅压可咀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。 传统结构p h o t o f e t s 虽然制作相对简单，但沟道长度相对较长，导致驱动电压 高、信噪比和增益低。垂直构型p h o t o f e t s 虽然有相对的高增益、高信噪比和低工 作电压等优点，但是中间精细的栅极却增加了制作难度。要求栅极要足够的粗糙， 因为在测试的时候器件的共源极要接地。只有这样在足够粗糙的共源极表面感应 出来的载流子才不会立即消失 i ”。 l i g h t 图l - 2 垂直构型光敏晶体管结构示意图 1 3 用于p h o t o f e t s 的材料 有机光敏场效应晶体管所用的材料包括有机光敏半导体材料、绝缘材料、电 极材料和衬底材料等。下面重点介绍一下光敏半导体材料的种类和发展情况。对 绝缘材料和电极材料也概括的做了总结。 1 3 1 有机光敏半导体材料 在过去的二十多年时间里，由于有机半导体材料具有轻质、廉价以及可与柔 性衬底兼容等诸多优点使得世界各国的工作者对有机半导体材料产生了浓厚的兴 趣【2 6 1 。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 5c n l 1 ) ，以及化学家们可以裁剪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【2 7 , 2 8 】。在p h o t o f e t s 中所使用的有机半导体材料必须要满足高光敏特性、高 载流子迁移率、低本征电导率、高载流子密度和较好的稳定性。 2 0 0 1 年，n a r a y a 等人【z 刿以p o l y ( 3 o c t y l t h i o p h e n e 2 ，5 d i y l ) ( p 3 0 t ) 为半导体制 备的底接触型o f e t 的载流子迁移率为1 0 一1 0 4 c m 2 v 1 s ，“明暗”电流比( 昂以& d c ) 为1 0 2 1 0 3 ，阈值电压( 所) 为一5v 。s c h 6 n 等人【2 4 】通过在并五苯里面掺杂溴使得并五 6 苯的载流子迁移率得到了较大的提高。在6 2 3n m 的光照下，器件的外路电流为光 照光子通量的8 倍。 2 0 0 4 年，x u 等人【4 】用禁带宽度为2 2 5e v 的三元聚合物 2 ，5 - b i s ( d i b u t y l a m i n o s t y r y l ) 一1 , 4 一p h e n y l e n e - b a l k y n e - b l ，4 一b i s ( 2 一e t h y l h e x y l ) b e n z e n e t c r p o l y m c r ( b a s p p e ) 为半导体材料制备了顶接触型p h o t o f e t ，在4 w 的光强下， 锄啵= 6 0 0 0 ，光敏感度为5m a w 。 2 0 0 5 年，n o h 等人【2 2 】采用2 ，5 一b i s - b i p h e n y l 4y lt h i e n o 3 ，2 - b t h i o p h e n e ( b p t t ) 为 激活层的项接触v o f e t s 中得到的场效应迁移率为0 0 8 2t i l l 2 y l s ，i n l l m r k = 2 x 1 0 5 ， 紫外光灵敏度为8 2a w ，v r = 2 9v 。他们还分别对p e n t a c e n e 和c u p c 锘i j 作的顶接触 v o f e t 性能进行了比较【3 0 】，p e n t a c e n e 的载流子迁移率为0 4 9o i l l 2 v 。1 s ，“开关电 流比( i o d l o i r ) 为1 5 x 1 0 6 ，v a - = - 1 8v ；c u p c 的载流子迁移率达到o 0 2c m 2 v 。s - 1 ， 批f f = l x l 0 5 ，v r = - 1 5v 。相比之下，p e n t a c e n e 的载流子迁移率和蛐仃较高， 但是p e n t a c e n e 的蜥较高并且器件稳定性较差，容易衰减。在光灵敏度方面，虽然 在可见光波段两种半导体材料的吸收效率都是紫外区的3 倍以上，但是光灵敏度只 有0 1 5 0 4 5a w ，而在紫外区的光灵敏度为1 0 一5 0a w ，可见入射光子能量大小 和光敏器件效率密切相关。2 0 0 6 年，他们又使用s e x i t h i o p h e n e ( 6 t ) 为半导体制备 的器件的载流子迁移率达0 7c m 2 v - 1 s 一，i p h i n a r k = 2 x10 6 ，v x = - 15v ，在载流子迁移 率和路方面有了较大的提高【3 i 】。他们还对b p w 和c u p c 进行了对比，在3 6 5n n l 的紫外光( 强度为1 5 5m w c m 2 ) 照射下，b p t t 器件的光灵敏度为8 2a w ，p = 2 0 x 1 0 5 ，而c u p c 器件的光灵敏度和，d 。r k 分别为2a w 和1 0 0 0 3 2 1 。2 0 0 6 年，c h o 等人【2 3 】用并五苯为半导体制备o f e t ，其场效应迁移率达到0 7c m e v 。s ，v r = 一7v ， 蝻忸础达到了1 0 5 。 2 0 0 6 年，c h o i 等人【3 3 】以n i o x 为半透明的源漏电极在硅衬底上分别制备了并 四苯和并五苯的光敏器件，虽然并四苯的载流子迁移率只有0 0 0 3c m 2 v - 1 s 。1 而并五 苯的载流子迁移率约为o 3c m 2 v - 1s 1 ，但是并四苯的器件却有较高的h ，f d 。r k ( 3 1 0 3 ) 而并五苯的器件只有大约1 0 。h u 等人【l6 】采用并五苯为半导体层，分别用t a 2 0 5 和p o l y m e t h y lm e t h a c r y l a t e ( p m m a ) 为绝缘层对比了器件性能。在1 0m w 矗的 光照下，t a 2 0 5 为绝缘层制作的器件的1 p h i d a r k = 4 0 0 0 ，v r = 1 3 5v ，而p m m a 制作 的器件昂h 玩诎与所分别只有o 5 和2 9v 。光敏感度较好的t a 2 0 5 器件应归因于其 较好的电子捕获能力。c h o i 等人【3 4 】在i t o 玻璃上蒸镀1 0 0n l i l 的a i o 。和4 5n l t l 的 p o l y - 4 v i n y l p h e n o lf p v p ) 为绝缘层，蒸镀5 0a m 并四苯为有机光敏层，然后用1 0 0n l n 的n i o 。作为源漏电极制作了一个底接触型p h o t o f e t s 。由a 1 0 。和p v p 组成的绝 缘层的电容值达到了3 1n f c m 2 ，场效应迁移率约为0 2 3c m 2 v - 1 s ，所小于8 v ， i o i o j f = lx1 0 5 。 m a r j a n o v i d 等人 【”】 用 d i v i n y l t e t r a m e t h y l l d i s i l o x a n e - b i s ( b , e n z o c y c l o b u t e n e ) ( b c b ) 为栅绝缘层， 用 p o l y 2 - m e t h o x y - 5 一( 3 ，7 - d i m e t h y l o e t y l o x y ) 】一1 ，4 一p h e n y l e n e v i n y l e n e ( m d m o - p p v ) 和 m m e t h a n o f u l l e r e n e 6 ，6 】一p h e n y lc 6 1 - b u t y r i e a c i dm e t h y le s t e r ( p c b ) 按l ：4 混合作为有 机光敏层，在没有光照的情况下制作的顶接触型晶体管的线性迁移率和饱和迁移 率分别为1 7 x l o 3c l t l 2v - 1 s 1 和2 7 1 0 之c m 2v - 1 s 。在白光照射下，转移特性中的阈 值电压有较大的移动。 2 0 0 7 年，t a n g 等人【1 8 】采用c o p p e rh 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 el ：f16 c u p c ) 为半 导体材料制备的底接触型的p h o t o f e t s 的最灿h 如矿4 5 x1 0 4 ( = - 6 0 。g a o 等人【l9 1 在硅衬底上先氧化生成一层氧化膜层，然后再采用 d i b e n z o d ，d t h i e n o 3 ，2 - b ；4 ，5 - b d i t h i o p h e n el i d b t d t ) 为半导体材料制备的器件的载 流子迁移率为0 5 1c m 2 v - 1 s - 1 ，昂达到了4 。5 x 1 0 6 。 另外，值得一提的是，s a r a g i 等人【3 】用螺旋有机化合物 2 ，7 - - b i s - ( n ：, n - d i p h e n y l a m i n o ) - 2 ，7 - b i s ( b i i p h e n y l 4 - y 1 ) - 9 ，9 - s p i r o b i f l u o r e n e0 4 r o d p s p ) 制备的项接触型o f e t 的光敏感度达到1a w 以上( 在3 7 0m 照射下) ，有望应用 在传感器方面。2 0 0 7 年，他们用p i r o d p s p 带i j 备的器件的如胁l a d 【达到了2 1 x 1 0 3 【3 6 1 ， 集电区的漏电流受光照的影响不大但对阈值电压影响很大( 最大漂移能达到5 0 v ) ， 而载流子的场效应迁移率几乎没有改变。用材料 n - j 7 一( n , n - d i p h e n y l a m i n o ) - 9 , 9 - s p i r o b i f l u o r e n - 2 - y l 】一( 2 ，5 d i t e r t - b u t y l p h e n y l ) 一3 ，4 ：9 ， 1 0 - p e r y l e n e t e t r a c a r b o x y l i c d i i m i d ei i d p a s p ) 带i j 备的器件的光敏感度达到o 2 刖w 【3 7 】， 在光的照射下漏极电流可增大近1 0 0 倍。2 0 0 7 年，他们用 2 ，2 ，6 ，6 - t e t r a p h e n y l - 4 ，4 - s p i r o b i c y c l o p e n t a 2 ，1 - b ；3 ，4 - - b d i t h i o p h e n e 】 ( s p i r o - 4 p c p d t ) 为半导体材料制作的器件的场效应迁移率达到( 卜 2 ) x 1 0 4 c m 2 v - 1 s 一 、石d 。i f 约 为 1 0 3 【3 8 】。 同 年 ，他们又用 2 y , - b i s ( n ，n d i p h e n y l a m i n o ) - 2 一( 5 一( 4 t e r t 一- b u t y l p h e n y l - 1 ，3 ，4 - o x a d i a z o l 一2 - y d 9 ，9 - s p i r o b i f l u o r e n e ( s p i r o d p o ) 为有机层制备的顶接触型o f e t 的光灵敏度为6 5a w ( 在3 7 0 a m 紫外光的照射下) ，i p i i i d a r k = 4 3 x 1 0 3 3 9 1 。 1 3 2 绝缘材料、电极材料和衬底材料 绝缘材料对p h o t o f e t s 性能有很大的影响，已引起人们的注意。选用不同的 绝缘材料可以得到不同的载流子迁移率。对绝缘材料的一个最基本要求是具有较 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。 目前在p h o t o f e t s 中常用的无机绝缘材料主要有s i 0 2 ，a 1 2 0 3 ，t i 0 2 ，, t a 2 0 5 和 z r 0 2 等 1 6 , 1 9 , 4 0 , 4 1 】。它们的优点是耐高温、化学性质稳定、不易被击穿等，缺点是其 固相高温和非柔性加工特点限制了它在晶体管微型化、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【4 0 】。 有机绝缘体材料主要包括聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 、聚酰亚胺、聚对二甲苯、 聚乙烯醇等有机高分子绝缘材料【1 6 , 4 0 , 4 1 】。这些有机绝缘层必须和半导体层之间有较 好的界面接触，并且要有低表面陷阱密度、低表面粗糙度、低杂质浓度，尤其不 能对相连接的有序有机半导体膜的结构和性能有所破坏。可与柔性基底相兼容以 及能够应用于低成本的低温、溶液加工技术等优点也决定了有机绝缘体必将取代 无机绝缘体在f e t 中的应用。 1 3 3电极材料和衬底材料 电极材料是p h o t o f e t s 的重要辅助材料，要求其能与半导体层的能级相匹配， 从而使激子离解为载流子后能够顺利地从半导体层转移到电极。常用电极材料有 铝、金、铂、铬等金属，无机的氧化铟锡( i t o ) 、石墨和聚合物的聚苯胺等。目前 的研究表明电极材料还可与有机半导体层相互作用，从而影响器件的性能，且选 择合适的电极与半导体层的接触界面形成欧姆接触可以避免因为存在势垒而导致 器件性能下降。p h o t o f e t s 的电极( 特别是源极和漏极) 要求是透光的，一般使用 薄层金或者是镁银合金来做透明电极【4 0 ，4 1 1 。 衬底材料有玻璃、n 型硅及塑料等【4 l 】。已有人在塑料衬底上制作光敏器件，对 有机柔性显示做了初步的探索。 1 4 有机光敏场效应晶体管存在的问题 尽管对o t f t 的研究已经很成熟，并且也已经达到了应用的程度。但是 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 ) 有机半导体的导电机制还有待于更深入的了解。以往的研究都是建立在无 机半导体的基础之上，必然会忽略掉有机半导体自身特有的一些性质，以较好的 理论为基础来获得更优异的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、n 型半导体较p 型半导体少导致材料 单一限制了其进一步发展。 9 ( 3 ) 传统的制备工艺复杂，沟道长度很难进一步降低，使得器件的工作电流小， 开启电压大。 ( 4 ) 增益和信噪比比较低，大气环境下器件的稳定性和寿命还有待提高。和实 际应用的要求还有差距。 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 5本论文的主要工作 由于传统结构有机场效应晶体管存