OTFT

有機薄膜電晶體（簡稱OTFT）又稱塑膠電晶體，與MOS電晶體的最大不同在於OTFT採用有機半導體材料取代MOS中的無機半導體材料。傳統的無機電晶體是金屬氧化物半導體（MOS）式的場效應管，其半導體材料一般為無機矽。

基本介紹

• 中文名：有機薄膜電晶體
• 簡稱：OTFT
• 別稱：塑膠電晶體
• 特點：製作簡單多樣、成本低、攜帶方便
• 製作方式：空沉澱和溶液處理
• 製作材料：有機半導體材料

OTFT簡介

與無機電晶體相比，有機薄膜電晶體具有下述主要優點:有機薄膜的成膜技術更多、更新，如Langmuir－Blodgett（LB）技術、分子自組裝技術、真空蒸鍍、噴墨列印等，從而使製作工藝簡單、多樣、成本低；器件的尺寸能做得更小，集成度更高，分子尺度的減小和集成度的提高意味著操作功率的減小以及運算速度的提高；以有機聚合物製成的電晶體，其電性能可通過對有機分子結構進行適當的修飾而得到滿意的結果；有機物易於獲得，有機場效應管的製作工藝也更為簡單，它並不要求嚴格的控制氣氛條件和苛刻的純度要求，因而能有效地降低器件的成本；全部由有機材料製備的所謂“全有機”的電晶體呈現出非常好的柔韌性，而且質量輕，攜帶方便。有研究表明，對器件進行適度的扭曲或彎曲，器件的電特性並沒有顯著的改變。良好的柔韌性進一步拓寬了有機電晶體的使用範圍。

研究歷程

OTFT遷移率和開關電流比是其兩個重要的參數:電晶體的遷移率越大，實際運作速度越快;開關電流比越大，所驅動的器件的對比度越好。 1980年年初，人們將有機半導體聚噻吩引入電晶體中，開創了有機薄膜電晶體的研究。但令人遺憾的是當時器件的遷移率只有1×10^-5 cm^2/V·s，工作頻率只有1 Hz左右，開關電流比10^2～10^3。在近20年的研究過程中，為提高器件的載流子遷移率、工作頻率和降低驅動電壓，人們在尋找新的有機材料、改進器件結構和製備工藝等方面進行了大量的工作。 1997年，人們利用並五苯作為有機材料採用層積法製作的有機薄膜場電晶體的遷移率達到了0.7 cm^2/V·s，開關電流比為1×10^8，這足以和無定形矽薄膜電晶體（遷移率0.5 cm^2/V·s，開關電流比為1×10^8）相媲美。2000年，Bell實驗室的J.H.Schon等人利用並四苯單晶作有源層，利用雙場效應製成有機電注入雷射器，在室溫下器件的載流子遷移率達到2 cm^2/V·s，低溫下可達到1×10^3～1×10^5 cm2/V·s，開闢了新的有機器件的研究領域。2001年，貝爾實驗室的科學家利用高純的並五苯單晶使載流子遷移率達到3.2 cm^2/V·s，開關電流比達到1×10^9，工作頻率達到700 kHz～11 MHz。 聚合物材料中，六噻吩是目前發現的遷移率最高的有機材料，利用做有機半導體製作的OTFT中，電子和空穴的遷移率分別達到0.7 cm^2/V·s和1.1 cm^2/V·s。1994年，利用列印法製備了全聚合物的OTFT，得到的電晶體載流子遷移率達到0.06 cm^2/V·s，為OTFT的廉價和大面積製備打下了基礎。最近，劍橋大學和愛普生公司利用噴墨列印法，採用由於親水性和疏水性而產生自組織化特性的聚合物P3HT製成電晶體，器件的電極都為高分子材料，溝道長度達5～10 mm，載流子遷移率達到0.02～0.1 cm^2/V·s，開關電流比達到1×10^5，工作頻率達到250 Hz。這使得有機薄膜場效應電晶體的低成本、批量生產成為可能。目前，器件的載流子遷移率可達到1 cm^2/V·s，開關電流比達到1×10^7。

製作工藝

從製作方式來區分，OTFT有真空沉澱和溶液處理兩種方式。 真空沉澱技術一般用於有機小分子材料，經常使用的方法有兩種：一種是熱蒸鍍；另一種是氣相沉澱。其中，熱蒸鍍是將有機材料置於坩鍋中，加熱至材料的升華溫度，使得材料在基板上沉澱。利用真空蒸鍍製備有機器件是目前最廣泛使用的工藝。有機材料的純度對於晶體的生長有相當大的影響，為了提高純度，可以使用熱梯度法。 而氣相沉澱與熱蒸鍍最大的差別在於利用惰性氣體為媒介氣體，將有機蒸汽帶到基板上。並且基板擺放也與熱蒸鍍相反，基板位於腔體下方，有機蒸汽經過蒸汽噴頭由下而上至基板。 溶液處理方式可用於聚合物和可溶解的有機小分子，包括旋轉塗布和噴墨列印等方法。旋轉噴塗是將有機材料溶於有機溶劑，均勻地塗在基板上，經過高速旋轉形成有機薄膜。溶液的濃度和旋轉的速度影響有機薄膜的厚度和均勻性。印刷技術包括螢幕列印、噴墨列印和接觸列印等方法。國際上，已有多個實驗室用印刷技術製備有機薄膜電晶體，其中研製印刷用試劑是關鍵，各種有機半導體或絕緣體都可按某種花樣圖案，一層一層地印製在柔性襯底上，最後成為一個完整有機薄膜電晶體。目前，研究集中在列印技術方面，其線寬可小於1 μm。其中噴墨列印法就是像印表機打字一樣將有機列印到襯底材料上。用噴墨列印頭製備的有機電晶體陣列的級延遲小於40 μs，雖無法和矽器件相比，但已經取得了很大進展。這項技術的發展為大規模、大尺寸產品生產提供了工藝方法。

材料

OTFT最關鍵的技術之一是有機半導體材料。有機薄膜電晶體對所用的有機半導體材料有著特殊的要求：高遷移率、低本徵電導率。高遷移率是為了保證器件的開關速度，低本徵電導率是為了儘可能地降低器件的漏電流，從而提高器件的開關比，增加器件的可靠性。 按照材料傳輸載流子電荷的不同，可分為N型半導體材料和P型半導體材料。N型半導體是指載流子電荷為負，即載流子為電子；P型半導體是指載流子電荷為正，即載流子為空穴。 目前用於有機薄膜電晶體的N型材料主要以富勒烯（C60）為代表。它的電荷遷移率遠高於其他N型材料，利用這種材料製備的有機薄膜電晶體的遷移率可以達到0.1 cm2/V·s，開關電流比超過105。其他材料有C70、 四羧酸類材料等，但性能並不理想。同時由於這類N型半導體材料對空氣和水比較敏感，所以製備的器件的性能不穩定。 多數有機材料都是P型半導體，包括金屬配合物、寡聚材料、聚合物。酞菁類化合物是製備OTFT最早使用的材料，也是常用材料之一。通過取代中間的金屬，可以得到各種配位化合物，所製備的器件的遷移率在10-4～10-2 cm2/V·s的範圍內。寡聚噻吩是寡聚材料的代表，在OTFT的研究中被大量使用，它可以通過調整分子的結構和長度來控制載流子的傳輸，也可以通過修飾分子以改善分子的連線形式。曾被使用過的材料有並四苯、並五苯、並六苯、紅熒烯和蒽等，其中並五苯所製作的器件的特性是現階段最優秀的，遷移率超過2 cm2/V·s，開關電流比達到108。聚合物也是較早使用在OTFT中的材料，包括聚吡咯、聚噻吩、聚苯酚、聚2,5噻吩乙炔等。第一個OTFT所用的半導體材料也是高分子半導體材料，但當時的載流子遷移率只有10-5 cm2/V·s。在人們的不斷改進下，聚合物器件性能不斷提高，目前利用聚合物半導體材料製備的OTFT的載流子遷移率達到了0.1 cm2/V·s。 除有機半導體材料外，絕緣層材料和電極也對OTFT的性能有重大影響。 由於半導體材料一般沉澱到絕緣層上，因此絕緣層表面的性質對半導體材料成膜的形貌和載流子傳輸都有重要的影響。按照材料的元素不同，可分為無機絕緣材料和有機絕緣材料。無機材料包括SiO2、SiNx、Al2O3等。與無機材料相比，有機絕緣材料具有工藝簡單、成本低廉、可製作在柔性基板上等優點，包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚醯亞胺（PI）、聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯基苯酚（PVP）等。對絕緣層表面進行加工和修飾也可以提高器件的性能。 選擇金屬電極材料的基本原則是電極可以與有機半導體形成很好的能級匹配。對於p型有機半導體材料，要求電極的功函式與材料的HOMO能級之間的勢壘較小；而對於n型材料，要求電極的功函式與材料的LOMO能級之間的勢壘較小，以減少因勢壘存在而導致器件性能下降，提高載流子的注入效率。常用電極材料有金屬的鋁、金、鉑、鉻、ITO、石墨等。

發展方向

OTFT的研究已經廣泛地進行，但目前仍然存在許多缺點和問題：現有的關於半導體能帶理論是建立在無機材料的基礎上，對OTFT中一些現象無法給出合理的解釋。有機薄膜電晶體的開關速度不穩，在電晶體的內部可能發生擺動，從而使各種信息滯後。大多數有機材料的遷移率都很低，與無機多晶和單晶材料的遷移率相比要小得多，因而其導電性並不盡如人意。有機半導體材料大多數為p形材料，n型材料較少，類型過於單一，這也限制了有機電晶體的進一步發展。外界環境如水、氧以及光和溫度等，都對OTFT器件的穩定性有重大的影響，導致器件性能的衰減。因此，要想使有機薄膜電晶體得到更大的發展和更廣泛的套用，首先要建立更加完備的有機材料載流子傳輸理論，以指導材料和器件的設計；其次，必須開發出新的、導電性好的有機半導體材料，從而進一步提高有機材料的電子遷移率，增加電晶體的電子速度，改善半導體材料的導電特性；還要開發出進一步縮短有機材料的電子通道長度的工藝技術，改進器件結構;最後，基板的溫度、成膜速度、材料的純度都對器件的性能也存在一定的影響，因此需要排除諸多因素的干擾，增加OTFT的穩定性和壽命，以滿足實際套用的需要。