采用真空鍍膜制備的疊層結構有機場效應晶體管的研究
有機場效應晶體管（Organic Field Effect Transistor，簡稱OFET）是一種重要的有機半導體器件，可應用于平板顯示器的驅動電路，作為記憶組件用于交易卡和身份識別器以及智能卡，還可用于環(huán)形振蕩器的邏輯門，有機顯示器的有源驅動電路，有機傳感器,存儲器等領域。
自從1986年Tsumua等人利用聚噻吩作為活性材料制備第一個有機場效應晶體管至今，OFET在性能上已有顯著提高。貝爾實驗室的Batlogg小組利用OFET首次實現(xiàn)了有機激光的制備，并制得基于OFET 的互補邏輯電路，利用OFET結構首次實現(xiàn)了高分子材料的超導性，并且把C60的超導溫度提高到117K，為超導材料的研究開辟了路徑。
OFET具有易加工，成本低，功耗小等許多無機場效應管所不具備的優(yōu)點，因而有著廣泛的，極具潛力的應用前景。但與無機場效應管相比，有機半導體器件在性能、使用壽命和制作工藝等方面上還需要完善。
圖1 CuPc分子結構圖
酞菁銅（copper phthalocyanine-（CuPc）是1927年瑞士化學家Dicsbach等將鄰苯二腈與溴化銅在一起加熱時， 意外發(fā)現(xiàn)的藍色化合物。CuPc是一種常見的化學染料，CuPc分子不僅具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、難燃性以及耐光、耐輻射性能,而且還具有導電性、光電導性、氣敏性、電致發(fā)光等特性,目前正發(fā)展成為一種多功能材料,用CuPc制作半導體器件、太陽能電池和整流裝置等已研究了較長時間。純凈的CuPc是一種深藍色粉末，在紫外線燈的照射下微微有熒光發(fā)出。CuPc是一種典型的空穴傳輸型有機半導體材料，具有較高的載流子遷移率，約為10-2cm2/V·s。CuPc 分子結構如圖1 所示。
CuPc分子式為C32H16N8Cu；分子量是575.5，由5個原子組成，中心原子為銅離子，具有D4h對稱性，并有中心對稱的二維共軛π 電子結構。CuPc具有很好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，采用真空蒸發(fā)的方法易制備均勻、結晶性良好的薄膜。
目前制備OFET普遍采用“反型”結構（又稱“頂接觸式結構”），即在場效應管的柵極上構筑整個器件。結構如圖2 所示。柵極用金屬材料制作或用高度摻雜、導電性非常良好的硅基直接制作。在柵極上構筑絕緣層；然后在絕緣層上淀積一層很薄的有機化合物（CuPc）用作場效應管的半導體層；最后在有機半導體薄膜之上淀積兩個金屬電極作為源、漏極。該結構應用很廣泛，具有很多優(yōu)點，但也存在不足之處，如由于溝道較長，閾值電壓過高，通常高達幾十伏。
圖2 有機場效應晶體管的頂接觸式結構
傳統(tǒng)的OFET己經(jīng)研究得較為成熟，載流子遷移率可達到6cm2/V·s、電流開關比可達到106。但是傳統(tǒng)的OFET通常為平面結構，由于制作工藝的限制使得縮短溝道長度很難，受到溝道長度的限制使得器件具有開啟電壓大、工作電流小等缺點。目前解決的方案主要有:(l)尋找高遷移率的有機材料;(2)減小絕緣層的厚度或采用高介電常數(shù)的絕緣材料;(3)減小溝道長度。基于對器件結構的優(yōu)化，部分學者己開始研究疊層結構場效應晶體管，其溝道長度為有機半導體的厚度，使得器件開啟電壓降到5V以下、工作電流達到毫安量級。大大的改善了器件的工作特性，由于溝道長度的減小更為小面積的集成電路打下了堅實的基礎。由于其具備的獨特優(yōu)勢已經(jīng)引起了人們的廣泛關注。
疊層結構場效應晶體管是以縮短溝道長度為目的的一類新型場效應晶體管，它是以半導體層為溝道長度，大大降低了開啟的電壓，提高了工作電流。通過改變柵壓來控制源漏電極的電流變化，其結構如圖3 所示。這種結構的主要特點是，降低溝道長度由微米量級至納米量級，極大的提高了器件的工作電流、降低了器件的開啟電壓，但是這類晶體管的不足之處在于漏- 源- 柵在同一豎直面內(nèi)，彼此間寄生電容的存在使得零點電流發(fā)生漂移，一般通過放電處理后可以避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)。
圖3 疊層結構有機場效應晶體管的截面圖
為了降低閾值電壓，我們采用疊層結構來制備OFET。如圖3所示。柵極為高摻雜的n 型硅片，其上生長一層SiO2作為絕緣層；然后在上面淀積兩條平行的矩形Al膜作源極；接著在該Al電極上真空蒸鍍一層均勻的CuPc薄膜作為溝道層；最后在CuPc膜上再沉積兩條平行的矩形電極Al 膜作為漏極，其中漏極兩條矩形Al電極與源極兩條矩形Al電極垂直。圖4 為疊層結構器件的俯視圖。該種結構OFET特點是溝道長度等于有機層的厚度，可以制備得很短，從而閾值電壓較低。
有機場效應晶體管制備的關鍵步驟是有機半導體層的形成，器件特性以及性能的好壞在很大程度上取決于有機薄膜的結構和形貌。有序的分子結構能使有機共軛分子的π鍵在源漏電極方向上得以最大程度的重疊，從而提高載流子的傳輸。因此探索新的有序分子形貌的有機場效應晶體管制備技術，對OFET器件性能的改善起著關鍵性的作用。
圖4 疊層結構有機場效應晶體管的俯視圖
