在有机场效应晶体管和集成电路方面的进展外文翻译资料

在有机场效应晶体管和集成电路方面的进展

（王红，季周宇，刘明，尚立伟，刘歌，刘兴华，刘江，中国北京微电子研究所纳米加工与新器件集成实验室院士，10029

王红，彭应全 中国兰州大学物理科学与技术学院，730000）

有机场效应晶体管（OFETS）因其具有低投入，宽领域，以及在整形电路方面的应用的特点，在各方面已经引起了巨大的研究兴趣。并且在材料，设备性能，基于电路的有机场效应管和集成电路方面取得了极大地进步。在这篇文章中，我们介绍了进步有机半导体材料，基于集成技术的OFETS，并特别强调了最新进展。最后，就OFETS的前景和存在的问题进行了讨论。

关键词：有机场效应晶体管，集成电路，电路的模拟

1引言

有机场效应晶体管（OFETS）已引起显著的研究兴趣，因为它们是第一个由Tsumura等人报道的半导体。早在1986年，有机场效应管已经过20余年的发展而取得了巨大的进展。有机材料，包括低聚物或共轭聚合物，与他们的同行无机物相比有一些有趣的优势。他们可以很容易地通过旋和浸涂技术大柔性基板上沉积。此外，简单的电子电路，甚至可以由一些有机半导体的喷墨打印解决方案来印刷。另外，有机半导体的电性质可以通过在分子中增加侧链基团或更换个别元素来进行调整。近日，众多的参展有机材料的载流子迁移性可媲美非晶硅（a-硅：H）被证明，其中一些已被广泛使用在液晶显示器，传感器和有机电路。在2007年，工作在13.56兆赫，采用聚（3-烷基噻吩）（P3AT）为电活性材料的64位RFID标签，被 Poly IC证明，这是在有机积分电路的研究显著进展。虽然标签的存储和处理能力无法与无机同行竞争，但他们表现出对未来的应用潜力巨大。

在这篇文章中，我们回顾从以下几个方面近期的OFET和集成电路的进步：有机半导体材料，构造和制造技术，模拟和一体化的有机电路。

2设备的配置和的OFET的物理性能

2.1设备配置

这里所述的OFETS可基本上被认为是平行板电容器，其中包括一个电极，栅电极，可以通过绝缘氧化物层，实现和半导体之间电绝缘。两个电极，所述源极和漏极，是在与半导体接触的。通过施加栅极电压VG相对于源电极，电荷载体可以实现静电累积或者在半导体/绝缘体界面的半导体将电荷耗尽。由于这种场效果，在半导体中的载流子密度可以变化。因此，半导体的电阻率（根据源 - 漏场的应用程序）可以在数量级内变化。根据S-D电极和有机FUNC-TIONAL层的不同的制备顺序，OFETS可以被制成在顶端或底部接触的几何结构（图1的（a）和（b））。在顶部接触结构（图1（a））中，有机半导体位于电介质表面上，并

随后，金属（通常是黄金）是通过沉积的荫罩，作为源极和漏极电极。作为底部接触器件（图1（b）），该S-D电极被夹在栅介质层和有机半导体层之间。底接触S-D电极可使用光刻技术在介电层上制备。具有顶级接触的几何设备，具备优良的电极/有机层接触和高性能的设备，而对于许多实际应用底部接触结构具有更可行的几何形状。在垂直配置器件（图1（f））的，尺寸可以缩减，因为该设备的信道是由活性层的厚度确定。随着纳米通道长度，垂直配置器件可在高频率工作。OFETS面临的不适合在高频工作的这个关键问题就可以解决。有机半导体是通常对周边环境很敏感;设备被放置在空气中时它的性能将下降。幸运的是，顶栅接触器件（图1（c）和（d））的能解决此问题。相反于上述配置，在顶栅结构，其中栅电极是最后一个沉积的器件元件，有机活性层可以由电介质层的下面沉积和栅电极来封装，因此，这些配置这些组态的设备在空气中更稳定。然而，当沉积发生在绝缘层时有机半导体层会被破坏，性能会受到影响。

图1 设备配置的示意图。 （一）顶级联系; （二）底接触; （三）顶栅顶接触; （四）顶栅底接触; （五）双门; （六）垂直结构。

最近，一种新的双栅极结构（图1（e））被报道了：（ⅰ）底接触设备是捏造的;（ii）该栅极介电层的沉积;（iii）顶部栅极电极的增长，形成了双栅结构的OFETS。在双栅极构造的设备中，接通电压以及开放态电流可以调节，并且这些设备在有机逆变器中极大的应用价值。

2.2 OFETS的物理性能

场效应管是这样的有源器件，该固体材料的导电能力，可以通过电场来控制。该原则最早是在20世纪30年代由利林菲尔德提出。大部分工作在积累模式下的OFETS是p型OFETS。当没有电压施加时，栅电极上的源极和漏极电极之间只有小电流流过。由于在有机半导体层载流子密度很低，该装置是在“关”状态。当一个负的栅极电压偏置，由于空穴在有机层/介电层的界面的积累，一个导电通道形成。然后，在源 - 漏电压存在时空穴注入和传输发生。此状态对应于“开”状态。应当指出，在有机层/介电层界面深陷阱可以限制一些被引导的载体，因此，栅极电压（VGS）低于大阈值电压（Vth）对于转动晶体管到“开”状态，是十分必要的。当VGSgt; VTH时，当施加源 - 漏电压（VDS）时，空穴从源电极注入，通过导电通道传输到漏电极。在小S-D电压区域，电流与S-D电压呈线性增加，并且遵循欧姆定律。当一个更大的源极 - 漏极电压（VDSgt; VGS-VTH）被施加，由于漏电极附近载流子的耗尽渠道是“夹断”。这又导致的饱和源漏电流，它是独立于源极 - 漏极电压。对于n型的OFET中，正源极 - 漏极电压和栅极电压偏置;因此，电子被注入到n型有源层，积聚在导电沟道，并运输到漏电极。在评估器件的性能时，根据现有的MOSFET理论主要的特性包括包括电荷载体迁移率（mu;），场效应的阈值（VTH），以及亚阈值斜率（S）。场效应迁移量化单位电场的平均电荷载流子漂移速度通过以下公式计算，在饱和区域使用公式1），在线性区域使用公式2），分别如下所示：

其中W和L是沟道宽度和长度，Ci和VTH分别表示二氧化硅的电介质电容和阈值电压。阈值电压VTH是在一个场效应管中打开电传导的静电荷总量，这取决于多种因素，例如电荷陷阱有机晶体和栅极电介质，源极/漏极触点的质量之间的界面上的密度，和一个内置的导电沟道的不存在/存在。场效应发病的清晰度，由由亚阈值斜率表征， 由S=VGS/log IDS限定.人们普遍认为，亚阈值斜率是主要由绝缘体/半导体界面的质量决定。这种情况肯定断定是硅材料的MOSFETs，其中的源和漏接触电阻低，且不依赖于栅极电压。与此相反，OFETS（肖特基型FET）的接触电阻高，因此它与VGS之间的联系呈现非线性。亚阈斜率也反映接触的质量。用于工业设备的应用中，有机场场效应晶体管（OFET）必须满足一定的要求，例如，低阈值电压，以便在操作低电压，开/关比的高用于获得良好定义的信号，和化学稳定性，其中载流子迁移率是最重要的一个，因为它定义了场效应晶体管的开关速度。然而，对于大多数的有机半导体，性能远远低于这些标准。

3有机半导体

有机半导体材料的OFET的核心要素。大量的工作已经在设计和新的高性能场效应半导体材料合成的过程中被完成，并且已经取得了很多进步。数以百计的有机半导体材料已在过去二十年中被报道，材料结构和性质之间的固有关系的性能也被研究。前两个因素决定了承载传输性能，并且能级和载流子的注入能力和在空气中的稳定性有很大的关系。根据在有机材料中多数载流子的分类，有机半导体可以分成p型或n型。在p型半导体的多数载流子是空穴，而在n型半导体，多数载流子是电子。相应地，晶体管是p型晶体管或者n型晶体管。迄今，大部分有机半研究导体是p型。这主要是因为p型半导体，当它们在的OFET被使用时，在空气中更稳定并且具有相对高的流动性。尽管n型材料的发展不如p型材料，然而，n型半导体是有机电子最重要的部件之一，所以它的发展应该得到重视。

3.1 p型半导体

在过去的日子里，大部分工作都集中在p型有机材料。p型半导体主要包括苯，噻吩，酞菁，三苯基胺，四硫富瓦等。如图2中所示的一些常见的p型有机材料的化学结构，以及图3示出了典型的p型的OFET（五苯作为有源元件）的典型的I-V特性。并五苯是最优秀的有机场效应材料之一。迄今，有记录的最高场效应迁移为并五苯。大多数在有机的半导体中，酞菁是广泛研究的有机材料。其优良的光电特性和稳定性吸引了极大的兴趣。

图2 某些p型有机半导体的化学结构

3.2 n型半导体

虽然大部分工作迄今都集中在p型有机材料，高性能的n型半导体是其互补的重要组成部分，它具有低功耗，高工作速度。但n型材料的开发是远远落后p型材料，因为大部分在n型的材料是在空气中是不稳定的。错配用于制造接触到有机半导体中的金属，n型OFET材料滞后p型材料的另一个原因。很大的努力应朝着稳定的高场效应迁移率的n型半导体的制备来进行。在下文中，我们将讨论一些高性能的n型材料。如图4中所示是一些高性能的n型有机材料的化学结构，以及图5示出的典型的典型的I-V特性n型的OFETS

图3 p型OFET，并五苯作为有源元件的I-V特性，沟道长度和宽度分别为 10微米和1.4毫米

图4一些高性能n型有机的化学结构半导体

通过加入强吸电子基团，例如如-F，-CN到分子的外圈，可以创建用于n-型半导体的良好候选。在他们的装置中，它们沉积在薄的并五苯层C60的沉积之前的缓冲层，并获得高的迁移率。另一类n型材料的研究初是苝及其衍生物。一般来说，n型材料的类型是缺乏;多的努力应努力稳定和较高的场效应迁移率n型半导体编制的指导。

4 抗电层材料

介电层是OFETS的一个重要因素。其化学结构，表面形貌（粗糙度）和介电性能对该有机薄膜的状态和设备性能有巨大影响。这是由于在与绝缘体的接触界面，载流子存储层是发生在有机半导体的前几个单层。许多含无机和有机介质材料已经被用作的OFETS的介电层。由于其优良的绝缘性能和稳定性二氧化硅（硅氧）被广泛用作电介质。然而，在有机半导体沉积在裸露的SiO2表面上时，小颗粒通常会出现。这就限制了装置的改进性能。使用自组装单层，如十八烷基三氯硅烷（OTS）和六甲基二硅氮烷（HMDS）在Si O 2表面的变形已经被广泛探索，以提高设备的性能。基于的Sio2器件实现广泛的应用的一个障碍是这些装置需要较高的操作电压。高的工作电压，将导致功耗过大。这个问题可以通过使用具有高介电常数的绝缘层或降低绝缘体的厚度来解决。当前，减少厚度通常产生了一个较大的泄漏。因此，应该使用更高的介电常数层。直到现在，很多高k氧化物被用来作为介电层。

图5 n型OFETS的I-V特性

传统的无机绝缘材料引起了广泛的研究。但它在作为无机绝缘层是复杂且昂贵的。使用柔性设备在解决电解质问题中是很有效的。该聚合物电介质层可通过溶液方法如在室温和环境条件下进行处理旋涂，铸造，或印刷。此外，聚合物绝缘体的结构和化学物理性质可通过单体，聚合物的反应条件，以及成膜条件来控制。一些聚合物的介电材料已被开发出来，如聚酰亚胺，聚苯乙烯，聚乙烯醇，聚四氟乙烯，和倍半硅氧烷树脂。图6示出了几种常见聚合物介电材料的化学结构。不幸的是，大多数报道的OFET聚合物结合绝缘栅要求高工作电压。Klauk等证实了一种有机电路，这种电路自组装单层作为栅极绝缘体非常低的工作电压和功率消耗。在OFETS领域，低泄漏电流和优良的品质自组装膜有很大的应用潜力。

图6 几种常见的高分子介电材料的化学结构

5 OFETS的制造技术

在OFETS中，有机半导体作为薄膜获得。与硅MISFET（金属 - 绝缘体 - 半导体场效应晶体管）相比，OFET呈现倒置结构，其中，首先所述栅电极被布置向下，半导体膜的沉积是通常的最后一步。更频繁的是，一个高度掺杂的硅晶片用作栅极，在其上形成氧化硅层热生长作为介电层。源极和漏极上形成该绝缘层或有机薄膜上，通过常规的微平版印刷技术或通过荫罩。半导体的沉积是OFET制造的确定步骤，特别是当使用的是热氧化硅晶片作为衬底，其中该过程的其余部分由常规的技术来控制。在这次审查中，我们只是总结沉积半导体的技术。 5.1真空蒸镀

真空蒸发包括加热材料的减压，这是对大多数小分子更合适。该方法是在非常高的或超高真空室中进行。真空蒸发的主要优点是厚度和膜的纯度可以很容易地控制，且高度有序的膜可以通过监测沉积速率和所述基片的温度来实现。然而，这种技术需要复杂的仪器，并且不能用于原则聚合物，这种物质倾向于在高温下裂化分解。

5.2朗缪尔 - 布洛杰特

LB膜（LB）技术是一种替代手段，它可以使小分子的组织良好的薄膜，其中结构和膜的厚度可以在分子水平上被精确地控制。使用这种技术，可以得到具有几乎无缺陷的单分子单层。然而，原则上这种技术被限制到疏水链和疏水性首基组成的两亲性分子。并且疏水头部基团并不是对大多数的OFETS适用。

5.3溶液加工沉积

旋涂的沉积聚合物所采用的最优雅的方式之一，这使得生产非常均匀的薄膜成为可能，这些产品的厚度在很大区域被精确地控制。通过丢弃或浇铸溶液到基片的一定速率，作为溶剂蒸发可以得到薄膜。然而，该技术需要具有良好溶解性的有机物。该技术的出现，极大地降低了OFETS的价格和促进OFETS的发展。

5.4微接触印刷技术 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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