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摘要：作为有机场效应晶体管的重要组成部分,有机半导体材料对器件性能有着重要的影响。本文重点探讨了高迁移率聚合物半导体材料最新进展。
关键词：高迁移率；有机场效应晶体管；聚合物半导体材料
半导体材料作为场效应晶体管的关键组成元素，严重的影响器件性能，相对于小分子半导体材料，聚合物半导体材料具有诸多优势。目前，高迁移率聚合物半导体材料经过研发，已经取得了突飞猛进的成果，并且经过不断的创新，诞生了各种结构新颖、性能良好的聚合物半导体材料。
一、聚合物场效应晶体管结构
与有机场效应晶体管结构类似,在聚合物场效应晶体管中,以电极、半导体层、绝缘层以及栅极的相对位置不同,其器件结构主要存在三种类型:底栅顶接触、底栅底接触和顶栅底接触结构。其中底栅顶接触和顶栅底接触结构为常用的二种器件结构,底栅顶接触器件结构中有机半导体层与绝缘层的界面接触均匀,同时电极与半导体的接触面积较底接触结构中的接触面积大,有利于减小界面间的接触电阻,然而这种器件结构不适合批量生产,限制了其实际应用。在顶栅底接触器件中,顶部的栅极可以对半导体层起到封装的作用,防止空气中的水分、氧气等对其性能的影响。但底接触的金属电极对于半导体的沉积有着不利的影响,会导致沟道与电极过渡区上生长的有机半导体层，存在较大的晶界进而影响器件性能。根据需要,三种器件结构在聚合物晶体管器件中具有不同的适用。
二、有机场效应晶体管工作原理和性能参数
OFETs是一种电压控制型器件,它利用栅极电压来调控绝缘层电容的耦合大小,从而调控沟道内半导体活性层的导电能力。以增强型OFETs为例,其原理为:在一定的源漏电场的作用下,且栅极电压(VG)为零时,沟道内活性层的电导能力很低,从源极注入并被漏极所收集的电流几乎为零,此时OFETs处于关态；当施加VG后,由于绝缘层的电容耦合作用会在绝缘层和半导体层的界面处诱导出大量的载流电子,然而并不是诱导出的所有载流电子均可移动,只有当VG大于阈值电压VT时,且在源漏电压(VD)的作用下部分载流电子发生定向漂移,形成导电沟道,此时器件处于开态,从而实现了OFETs的开关功能。
评价OFETs性能好坏的关键参数为:迁移率、开关电流比、阈值电压和亚阈值斜率等。
①迁移率:在单位电场强度下,载流电子在单位时间内漂移的距离,其单位为cm2•V-1•s-1。它反映了在一定电场强度下,电子在半导体层中传输的快慢,迁移率的大小直接决定着OFETs的功率和工作频率,对OFETs各方面的应用影响重大。
②开关电流比:在一定VG范围内,OFETs的开态源-漏电流和关态源-漏电流之间的比值,它通过OFETs的转移曲线获得。开关电流比的大小能直接反映出OFETs开关性能的好坏,该参数在有源矩阵显示和逻辑电路中非常重要，具有高的Ion/Ioff的OFETs可以获得更大的负载驱动能力、更好的稳定性和抗干扰能力。
③阈值电压:诱导出OFETs导电沟道的最小电压,它是反映晶体管操作电压的重要参数之一,通过OFETs的转移曲线获得。影响阈值电压大小的主要因素包括:绝缘层和半导体层界面的缺陷密度、绝缘层电容的大小及源-漏电极与半导体层间的接触等因素。通常,低的VT是构造低功耗电子器件的必要条件。
④亚阈值斜率:其也称为亚阈值摆幅,其定义为亚阈值区漏端电流增加一个数量级所需要增大的栅电压,反映了电流从“关”态切换到“开”态时电流变化的快慢程度,小的亚阈值斜率说明晶体管的打开速度快，它和低的VT一起成为决定晶体管器件的操作电压。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆有机场效应晶体管的电流-电压理论同无机场效应晶体管相似,它的各项性能参数主要通过OFETs的输出曲线和转移曲线计算出来。输出曲线是指IDS随VD的变化曲线,然而晶体管的大部分性能参数都是通过转移曲线获得，从而求出OFETs的线性区和饱和区的迁移率。对线性区迁移率是IDS对VG作图换算而得，而饱和区迁移率是通过IDS对VG作图,由切线的斜率换算出载流子迁移率的大小。
三、高迁移率聚合物半导体材料研究
1、空穴传输型聚合物半导体材料。空穴传输型聚合物半导体材料作为一种应用较多的高迁移率聚合物材料，目前经过研究已经获取很多种，聚噻吩（P3HT）是一种最具代表性的p型共轭聚合物场效应材料，聚噻吩加工制造材料过程中也具有很多的特点，比如电离较低，容易接受氧气和水分的掺杂，电子稳定性非常弱，制造的半导体材料也无法满足人们的期望值。吡咯并吡咯二酮类（DPP）是一种常用的共轭体系缺电子受体单元，这一类的聚合物采用了先进的平面模型的结构，能够形成一个较强的分子间作用，有效缩短聚合物链间距离，广泛应用于聚合物光电材料设计与合成中，通过采用DPP基元连接共轭估价单元，持续调控基链结构，应用前景良好。噻唑类可以与芳香环有效的集成起来，形成一个堆积状的形态元素，非常有利于传输电荷。异靛类与DPP非常类似，含有许多非常先进的异靛单元聚合物，这样就表现出了很多的场效应，异靛作为一个中心对称分子，目前已经可以将任意两个对称的、关键的吲哚连接集成在一起，构建了一个氮原子邻位，这样就可以加入强吸电子羟基，促使异靛具有一个非常强的吸电子作用。
2、电子传输型聚合物半导体材料。电子传输型聚合物半导体材料与空穴型材料相比，电子传输型材料普及使用和研发较为落后，给有机电子学的发展造成了严重的阻碍，主要是电子传输型材料非常容易受到氧气和水分影响，因此制作的半导体器件在空气中的稳定非常弱，另外半导体器件结构也会影响材料发挥性能。顶栅器件结构下，半导体材料更容易获取电子传输性能，底栅器件结构下，半导体材料的电子传输性能则非常低，无法提高场效应迁移率，关键缘由是顶栅器件结构的绝缘层不具备顶层封装作用，表面活性层中的电子传输过程中非常容易受到水分或氧气的影响。萘嵌苯酰亚胺具有较低的电子势和高度的共平面性，因此作为这一类材料的代表，许多研究人员针对萘四酰亚二胺（NDI）类聚合物和萘四酰亚二胺（PDI）类聚合物进行了广泛研究，NDI是合成电子传输型半导体聚合物的结构单一，与PDI相比，NDI具有更好的溶解度、易于合成、结晶性也更好等特点，基于聚p-亚苯基亚乙烯基（PPV）类聚合物一直以来都具有较强的场效应晶体管，这些都可以表现出很强的PPV自身结构特点，另外，单键能够促使半导体器件在室温下产生旋转，形成了很多的异构体器件。
3、双极传输型聚合物半导体材料。有机半导体电路设计中，将电子传输和空穴传输聚合物材料集成在一起可以形成一个互补电路，又被称为双极传输型聚合物半导体材料。与传统的材料共混方法、层状复合方法相比，直接构建和合成一个双极型半导体材料，可以有效地降低自身的功耗，提高半导体的稳定性。双极传输型聚合物制作半导体的互补电路和场效应晶体管的过程也日趋简单化、便捷化，制作的成本造价也非常低。但是双极型聚合物的电荷传输能级要求非常严格，其需要势垒最好保持在1 eV以下，只有这样才能够同时保证电子、空穴注入电子。经过努力，科研院所、产业公司等已经提出了很多的合成双极型聚合物半导体材料方法，比如DPP作为一种常见的受体单元，可以有效的应用于空穴型半导体聚合物材料，同时也可以更好地应用于双极性半导体聚合物材料设计与制备中，具有重要的作用和意义。
四、结语
聚合物半导体材料的来源广泛、种类繁多,通过对共轭聚合物的主链和侧链进行适当的裁剪和修饰，可以实现对聚合物半导体材料结构和分子能级的一系列调控,从而实现对其物理性能和成膜特性等的调控,获得大量适用于不同领域的聚合物半导体材料。
参考文献
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[2]谢应涛.溶液法制备环保型高分子聚合物薄膜晶体管[J].半导体光电，2014.
[3]蔡政旭.基于Pechmann染料的有机半导体材料的合成与性能研究[A].中国化学会学术年会，2014.
论文作者:张博 姚鹏
论文发表刊物:《知识-力量》2018年7月上
论文发表时间:2018/7/16
标签：聚合物论文; 晶体管论文; 半导体材料论文; 半导体论文; 器件论文; 结构论文; 阈值论文; 《知识-力量》2018年7月上论文;