基于TiO2/PMMA復(fù)合絕緣層的并五苯場效應(yīng)晶體管研究①

楊丹

摘 ? 要：當(dāng)前制備高性能、柔性半導(dǎo)體器件已成為光電子領(lǐng)域的熱門研究，將高介電常數(shù)的無機材料與易成膜、柔性好的有機材料相結(jié)合制備高電容率絕緣層，是提升有機場效應(yīng)晶體管性能的有效途徑之一。本文采用簡便的旋涂法制備了二氧化鈦（TiO2）與聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的復(fù)合絕緣薄膜，介電常數(shù)相對純PMMA薄膜有所提升，將其作為場效應(yīng)晶體管的絕緣層，加之并五苯作為有源層，得到了低制備成本，高載流子遷移率，且具可柔性加工潛質(zhì)的有機場效應(yīng)晶體管。

關(guān)鍵詞：二氧化鈦（TiO2） ?聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA） ?絕緣層 ?有機場效應(yīng)晶體管（OFET）

中圖分類號：TN386 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（b）-0086-03

近年來，有機半導(dǎo)體材料由于制備工藝簡單、成本低、易于成膜且具柔性等特點已被廣泛應(yīng)用于有機半導(dǎo)體器件的研究之中。對于場效應(yīng)晶體管（Field-Effect Transistor， FET）而言，人們?yōu)榱丝朔鹘y(tǒng)無機FET制備工藝復(fù)雜、成本高、資源有限等不足，也逐漸展開了有機場效應(yīng)晶體管（Organic Field-Effect Transistor， OFET）的研究，無論在理論計算還是實驗制備等方面都引起了人們的廣泛關(guān)注[1-2]。為了提升器件性能，人們對OFET各功能層不斷優(yōu)化以適應(yīng)未來電子器件的高要求，如采用高載流子遷移率的有機半導(dǎo)體材料作為有源層，采用高介電常數(shù)的有機介電材料作為絕緣層，或者改良電極尺寸、間距以提升導(dǎo)電溝道寬長比等。其中，OFET絕緣層的薄膜質(zhì)量（成膜性、厚度、材料等）直接影響著器件誘導(dǎo)產(chǎn)生載流子數(shù)目，即直接決定了導(dǎo)電性能，因此絕緣層的改良與優(yōu)化一直被視為研究熱點。

理論上絕緣層電容率越高，可以誘導(dǎo)產(chǎn)生載流子數(shù)目越多，則器件開態(tài)電流越大，性能越好。減小絕緣層厚度是一種有效提高絕緣層電容率的方法，但厚度過小會導(dǎo)致器件漏電流過大反而影響器件性能。另一種常用方法即采用高介電常數(shù)材料作為絕緣層，如SiO2、Ta2O5、Al2O3、TiO2等[3]，但由于無機絕緣層材料大多制備工藝要求高且柔性差，對于制備柔性器件存在一定弊端。有機絕緣層材料則可以滿足低成本柔性器件的制備要求，但通常介電常數(shù)相對無機材料小很多，因此人們嘗試將有機與無機材料混合使用制備OFET絕緣層，以滿足高介電性與柔性相兼容的要求。本文創(chuàng)新使用可直接成膜的TiO2膠體，將其與有機絕緣材料聚甲基丙烯酸甲酯（poly（methyl methacrylate），PMMA）相結(jié)合，采用操作簡單的旋涂法獲得了介電常數(shù)相對較高的TiO2/PMMA復(fù)合絕緣層，應(yīng)用于OFET中得到了電學(xué)性能優(yōu)良的并五苯（Pentacene）場效應(yīng)晶體管，這為制備高性能柔性O(shè)FET提供了理論依據(jù)與技術(shù)參考。

1 ?TiO2膠體溶液的制備

首先，將10mL前驅(qū)物鈦酸丁酯滴于20mL無水乙醇中，劇烈攪拌30min形成溶液1。其次，將2mL螯合劑冰乙酸、1mL催化劑硝酸和1.5mL去離子水滴于10mL無水乙醇中，得到混合溶液2，并將其緩慢加入溶液1中，劇烈攪拌2h后得到黃色清澈溶液。最后，將溶液在室溫下靜置陳化24h，得到穩(wěn)定的奶黃色TiO2膠體溶液，以待下一步制備器件。

2 ?TiO2/PMMA復(fù)合絕緣層的性能分析

2.1 TiO2/PMMA電容器件的制備

首先，選用高透ITO導(dǎo)電玻璃作為器件基底，通過化學(xué)方法刻蝕出電極，洗凈、臭氧處理后備用。其次，將TiO2膠體溶液以2000rpm的轉(zhuǎn)速旋涂于處理過的ITO基片上，靜置2min后再以相同速率旋涂60mg/mL的PMMA甲苯溶液，經(jīng)過100℃退火1h形成TiO2/PMMA復(fù)合絕緣層薄膜。最后，采用真空蒸鍍的方法制備鋁電極，形成ITO/TiO2/PMMA/Al的平行板電容器結(jié)構(gòu)，同時以純PMMA有機絕緣材料作為參考，制備ITO/PMMA/Al電容器作為對比器件。

2.2 TiO2/PMMA電容器件的性能測試與分析

利用臺階儀對器件絕緣層薄膜厚度進行測量，得到復(fù)合絕緣層厚度為640nm，其中TiO2膠體薄膜120nm，PMMA有機絕緣層520nm。通過LCR測量儀測定兩種電容器ITO/TiO2/PMMA/Al和ITO/PMMA/Al的電容值，在100 kHz時分別為4.6 nF/cm2和4.2nF/cm2。由公式[4]可以計算出絕緣層的介電常數(shù)k，其中C為測量電容值，ε0為真空介電常數(shù)，A為電容器有效面積，t為介電層厚度。通過計算得到k值分別為3.33和3.05，說明TiO2/PMMA復(fù)合絕緣層具有相對較高的介電性，這是由于高絕緣性材料TiO2的引入。另外，由電容器的I-V特性曲線（如圖1所示）可以看出，加入TiO2層后PMMA絕緣層的漏電流雖有所提高，但仍在10-9A數(shù)量級，可用于進一步制備場效應(yīng)晶體管。

3 ?基于TiO2/PMMA復(fù)合絕緣層的并五苯場效應(yīng)晶體管的性能分析

3.1 OFET器件的制備

首先，采用與之前電容器制備相同的方法，在刻蝕有柵電極（G）的ITO導(dǎo)電玻璃上旋涂TiO2/PMMA復(fù)合絕緣層薄膜。再次，利用真空蒸鍍的方法制備并五苯有源層薄膜，在2×10-4Pa的真空下以0.5nm/s的平均速率蒸鍍有機半導(dǎo)體并五苯，之后保持真空室溫度和真空度靜置30min使并五苯薄膜進一步生長。最后，使用叉指狀掩膜版真空蒸鍍源（S）、漏（D）金電極，形成長100μm，寬長比為172的器件導(dǎo)電溝道，整體器件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 OFET器件的性能測試與分析

對基于TiO2/PMMA復(fù)合絕緣層的并五苯場效應(yīng)晶體管的電學(xué)性能進行測試，得到器件的輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖3所示。由圖3（a）輸出特性曲線可以看出，源漏電流（IDS）可以達到10-4A數(shù)量級，說明通過高介電常數(shù)的TiO2/PMMA復(fù)合絕緣層誘導(dǎo)產(chǎn)生更多載流子，形成大的導(dǎo)通電流。另外，IDS隨源漏電壓（VDS）的負向增大而增大，且趨于飽和，同時還隨柵極電壓（VGS）遞增，表現(xiàn)出明顯的P型場效應(yīng)晶體管特性。從圖3（b）轉(zhuǎn)移特性曲線可以得到器件的閾值電壓（VTh）為5.4 V，結(jié)合場效應(yīng)管工作在飽和區(qū)的源漏電流公式[5]可以求出載流子遷移率μ，其中W和L為溝道寬度和長度。通過計算可以得到器件載流子遷移率為0.18 cm2/Vs，說明器件具有良好的晶體管電學(xué)特性，這為未來進一步應(yīng)用與優(yōu)化打下了堅實基礎(chǔ)。

4 ?結(jié)語

本文成功制備了TiO2膠體溶液，并將其與有機絕緣材料PMMA相結(jié)合，通過簡單旋涂的方法得到了TiO2/PMMA復(fù)合絕緣層，提升了單純PMMA絕緣層的介電性，且漏電流較小?；诖藦?fù)合薄膜，制備了并五苯場效應(yīng)晶體管，表現(xiàn)出良好的P型場效應(yīng)晶體管電學(xué)特性，閾值電壓為5.4 V，載流子遷移率為0.18cm2/Vs，為今后的薄膜與器件研究提供了實驗依據(jù)和新思路。

參考文獻

[1] Jebnouni A， Chemli M， Lévêque P， et al. Effects of vinylene and azomethine bridges on optical， theoretical electronic structure and electrical properties of new anthracene and carbazole based π-conjugated molecules[J]. Organic Electronics，2018（56）： 96-110.

[2] Yan L J， Qi M W， Li A Y， et al. Investigating the single crystal OFET and photo-responsive characteristics based on an anthracene linked benzo[ b ]benzo[4，5]thieno[2，3- d ]thiophene semiconductor[J]. Organic Electronics， 2019（72）： 1-5.

[3] 劉云圻. 有機納米與分子器件[M]. 北京：科學(xué)出版社，2010.

[4] Chen F C， Chu C W， He J， et al. Organic thin-film transistors with nanocomposite dielectric gate insulator[J]. Applied Physics Letters， 2004， 85（15）： 3295-3297.

[5] Guo Y， Yu G， Liu Y. Functional Organic Field-Effect Transistors[J]. Advanced Materials， 2010， 22（40）： 4427-4447.