有机场效应晶体管和分子电子学研究进展

404 化学通报　2006年第6期　　　　　　　　　　http:ΠΠhttp://www.77cn.com.cn进展评述

有机场效应晶体管和分子电子学研究进展

吴卫平　徐伟　胡文平　刘云圻　朱道本333

(中国科学院化学研究所有机固体研究重点实验室　北京　100080)

摘　要　近几年来,有机场效应晶体管在材料和器件方面都取得了长足的进展,成为分子电子学的一个

重要方向。本文从有机半导体材料设计、有机半导体器件的构筑、单分子电子器件和纳米管在电子器件中的应用等方面,简单综述了有机场效应晶体管和分子电子学的最新研究进展。关键词　有机半导体材料　有机场效应晶体管　迁移率ProgressesinOrganicFieldElectronics

,,LiuYunqi,ZhuDaoben333

(of,ofChemistry,ChineseAcademyofSciences,Beijing100080)

thepastyears,organicmaterialshavebeenextensivelyinvestigatedasanelectronicmaterialfororganic

fieldeffecttransistors(OFETs).In

thispaper,webrieflysummarizethecurrentstatusoforganicfieldeffecttransistorsincludingmaterialsdesign,devicephysics,molecularelectronicsandtheapplicationofcarbonnanotubesinmolecularelectronics.FutureprospectsandinvestigationsrequiredtoimprovetheOFETperformancearealsoinvolved.

Keywords　Organicsemiconductors,Organicfieldeffecttransistors,Mobility,Molecularelectronics

有机场效应晶体管(OFET)是用有机共轭分子作为活性半导体层,以无机或高分子介电物质作绝缘栅,通过栅电压调节开、关状态的一种三端器件。自从1986年第一个有机场效应晶体管问世以来个研究机构相继投入了研究[2,3][1],有机场效晶体管以其低成本、柔韧性好、可大面积制备等优点而受到广泛关注,贝尔实验室、IBM公司等多。近几年来,有机场效应晶体管得到了越来越深入的研究,新型有机半导体材料不断出现,器件性能不断改善,有机场效应晶体管成为有机电子学的一个热点。本文结合笔者课题组相关工作,简要综述了有机场效应材料、器件物理和分子电子学方面的最新进展。

1　有机场效应器件物理

111　有机场效应晶体管工作原理

有机场效应晶体管是一种通过绝缘栅电压在半导体2绝缘层界面处形成电荷累积层,由栅电压调节源、漏电极之间的载流子密度而实现开、关状态的器件。当源漏电压Vds=0时,由栅电容诱导的累积电荷均匀分布,当Vds<Vgs-Vth(Vgs为栅极电压,Vth为开启电压也称阈值电压)时,源、漏电极之间载流子梯度分布,通过漏电压产生的电场在源漏电极之间传输,此时有机场效应晶体管工作在线性区电极间的电流Ids为:

2Ids=μ[(WΠL)Ci(Vgs-Vth)Vds-1Π2Vds][4],源漏

当Vds>Vgs-Vth时,有机场效应晶体管工作在饱和模式下,此时:

吴卫平　男,博士生,25岁,现从事分子电子学的研究。　3联系人,E2mail:liuyq@http://www.77cn.com.cn。　33中国科学院院士

国家自然科学基金(90206049,20472089,20421101,20571079,20527001,90401026)和科技部973计划(2001CB610507,2002CB613401)资助项目

2006202223收稿,2006202228接受

http:ΠΠhttp://www.77cn.com.cn　　　　　　　　　　化学通报　2006年第6

期

2Ids=μ(WΠ2L)Ci(Vgs-Vth) 405

其中,μ是场效应晶体管的迁移率,W和L分别是沟道宽度和沟道长度,Ci是绝缘栅单位面积的电容。OFET的器件结构和输出曲线和无机MOS晶体管很相似,不同的是,OFET工作时载流子传输机制有所差别,例如对于p型无机半导体,反型时少数载流子堆积在界面,并使p型半导体n型化,而OFET一般不形成反型层。

112　有机场效应晶体管的主要指标

有机场效应晶体管最重要的参数是迁移率、开关比、阈值电压和亚阈值斜率。迁移率的高低决定了有机器件集成电路的比特速率,为了能够实现商业应用,有机场效应晶体管的迁移率一般要求达到1cm V

22-1 s-1-1数量级;而对于任何可能的实际应用,一般要求场效应晶体管的迁移率达到01013[5]cm V s-1,开关比大于10。,特别是分

[6]子本身的共轭性、分子的聚集态堆积对器件的迁移率有决定性的影响

的电极接触电阻和温度等对迁移率也有显著的影响[7]。此外,、OFET

,,是由3M公司

,6,2-1-1]半导体材料,31(RFID)[9]。

[10]对于数字电路,开关比是一个非常关键的因素(例如对于OLED

2-1-18驱动, s,IonΠIoff>10,Vth接近0V)。为了提高开关比,可以采用的方法主

、(比如退火

等[13]8[11])等。Sirringhaus等[12]和Lin分别报道了开关比高达10的基于二连并三噻吩和并五苯的有机场效应晶体管。OFET的阈值电压Vth取决于有机半导体-绝缘层界面载流子陷阱密度、源电极与漏电极接触的质量等因素,研究表明陷阱密度和材料的纯度、薄膜的有序性关系相当大,最近发现界面偶极层和导电层的修饰对于阈值电压也有显著的影响[14]。

2　有机场效应材料

　　有机场效应晶体管主要由有机半导体材料、绝缘层、电极等构成,是通过真空镀膜、溶液旋涂、丝网印刷、图案压印等方法制备而成的[15]。多年来科学家一直致力于合成高迁移率和高稳定性的新型有机

[1]半导体材料。早期用于OFET的有机半导体材料研究主要集中在噻吩聚合物和齐聚物的研究上,最早的场效应晶体管就是通过噻吩的电化学聚合制备的。后来逐渐发现,基于噻吩、吡咯、咔唑、苯胺、芴、

稠环芳烃等单元的共轭结构小分子化合物、齐聚物及其衍生物都可以作为场效应半导体材料。有机小分子作为半导体材料,要求分子具有共轭性,而且分 …… 此处隐藏：8821字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……