利盈娱乐(中国)创新平台有限公司

场效应晶体管（FieldEffectTransistorFET）是利(li)用电场来控(kong)制固体材料(liao)导电性能的(de)有(you)源器(qi)件。由于其所具有(you)体积小、重量轻、功耗低、热(re)稳定性好、无(wu)二次击穿(chuan)现象以及安全工作区域宽等优(you)点(dian)，现已成为微电子行(xing)业中的(de)重要元(yuan)件之一。

目前无机场(chang)效应晶体(ti)管已经(jing)接近小型化的自(zi)(zi)然极(ji)限，而(er)且价格(ge)较高，在(zai)制备大(da)表面积器件时还存在(zai)诸多问题。因此，人们自(zi)(zi)然地想到利用有机材(cai)(cai)料作(zuo)为(wei)FET的活性(xing)材(cai)(cai)料。自(zi)(zi)1986年报(bao)道第一个有机场(chang)效应晶体(ti)管（OFET）以(yi)来，OFET研究得到快(kuai)速(su)发展，并取得重大(da)突破(po)。

有机场(chang)效(xiao)应(ying)晶体(ti)管是什(shen)么-基本结(jie)构

传统的有(you)机(ji)场效应晶(jing)体管(guan)的主要包括底栅和(he)栅两种结构(gou)(gou)，其中底栅和(he)顶(ding)栅结构(gou)(gou)又分别包括顶(ding)接触(chu)和(he)底接触(chu)两种结构(gou)(gou)，如(ru)图1所示。

图1典型的OFET结构

OFET一(yi)般采(cai)用栅极(ji)(ji)(ji)置底(di)(di)(di)的(de)(de)(de)(de)底(di)(di)(di)栅结构(gou)(gou)(gou)，即图1（a）、（b）所示的(de)(de)(de)(de)两种(zhong)结构(gou)(gou)(gou)，它们分别(bie)是(shi)底(di)(di)(di)栅-顶接(jie)(jie)触(chu)结构(gou)(gou)(gou)和底(di)(di)(di)栅-底(di)(di)(di)接(jie)(jie)触(chu)结构(gou)(gou)(gou)。二(er)(er)者最大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)区别(bie)就(jiu)是(shi)有(you)机(ji)(ji)层(ceng)(ceng)(ceng)是(shi)在(zai)(zai)镀(du)电(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)之(zhi)(zhi)前（a顶接(jie)(jie)触(chu)）还是(shi)之(zhi)(zhi)后（b底(di)(di)(di)接(jie)(jie)触(chu)）。顶接(jie)(jie)触(chu)结构(gou)(gou)(gou)的(de)(de)(de)(de)源、漏(lou)电(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)远离(li)衬底(di)(di)(di)，有(you)机(ji)(ji)半导(dao)(dao)体(ti)(ti)层(ceng)(ceng)(ceng)和绝缘(yuan)层(ceng)(ceng)(ceng)直接(jie)(jie)相连，在(zai)(zai)制(zhi)(zhi)作的(de)(de)(de)(de)过(guo)程中(zhong)可(ke)以采(cai)取对(dui)绝缘(yuan)层(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)修饰改(gai)(gai)变(bian)半导(dao)(dao)体(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)成膜结构(gou)(gou)(gou)和形貌，从而(er)(er)提(ti)高器(qi)件(jian)的(de)(de)(de)(de)载流子(zi)迁移(yi)率。同(tong)时该结构(gou)(gou)(gou)中(zhong)半导(dao)(dao)体(ti)(ti)层(ceng)(ceng)(ceng)受栅极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)影(ying)响(xiang)的(de)(de)(de)(de)面(mian)积(ji)大(da)(da)于源、漏(lou)电(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)在(zai)(zai)底(di)(di)(di)部的(de)(de)(de)(de)器(qi)件(jian)结构(gou)(gou)(gou)，因(yin)此具有(you)较高的(de)(de)(de)(de)载流子(zi)迁移(yi)率。底(di)(di)(di)接(jie)(jie)触(chu)型OFET的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要特点是(shi)有(you)机(ji)(ji)半导(dao)(dao)体(ti)(ti)层(ceng)(ceng)(ceng)蒸镀(du)于源、漏(lou)电(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)之(zhi)(zhi)上，且源、漏(lou)电(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)在(zai)(zai)底(di)(di)(di)部的(de)(de)(de)(de)器(qi)件(jian)结构(gou)(gou)(gou)可(ke)以通(tong)过(guo)光刻方法一(yi)次(ci)性(xing)制(zhi)(zhi)备栅极(ji)(ji)(ji)和源、漏(lou)电(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)，在(zai)(zai)工艺制(zhi)(zhi)备上可(ke)以实现简化。而(er)(er)且对(dui)于有(you)机(ji)(ji)传感(gan)器(qi)来说，需要半导(dao)(dao)体(ti)(ti)层(ceng)(ceng)(ceng)无覆盖地暴露在(zai)(zai)测试环境中(zhong)，此时利(li)用底(di)(di)(di)结构(gou)(gou)(gou)就(jiu)有(you)较大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)优势(shi)。而(er)(er)底(di)(di)(di)接(jie)(jie)触(chu)由于半导(dao)(dao)体(ti)(ti)层(ceng)(ceng)(ceng)与金属电(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)之(zhi)(zhi)间(jian)(jian)有(you)较大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)接(jie)(jie)触(chu)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)，导(dao)(dao)致(zhi)载流子(zi)注入(ru)效率降(jiang)(jiang)低(di)从而(er)(er)影(ying)响(xiang)到其性(xing)能(neng)。目(mu)前这方面(mian)缺陷(xian)也有(you)改(gai)(gai)进(jin)，如使用镀(du)上聚乙撑二(er)(er)氧噻吩和聚苯乙烯(xi)磺酸(suan)款（PEDOT：PSS）材料(liao)的(de)(de)(de)(de)金电(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)可(ke)以减少与有(you)机(ji)(ji)半导(dao)(dao)体(ti)(ti)并五苯材料(liao)之(zhi)(zhi)间(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)接(jie)(jie)触(chu)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)。二(er)(er)者之(zhi)(zhi)间(jian)(jian)载流子(zi)注入(ru)的(de)(de)(de)(de)阻(zu)力由0.85eV直接(jie)(jie)降(jiang)(jiang)到0.14eV，导(dao)(dao)致(zhi)场(chang)迁移(yi)率从0.031cm2/（V·s）增(zeng)加到0.218cm2/（V·s）。

图(tu)1（c），（d）为(wei)顶栅结构，即(ji)首先在(zai)衬底上(shang)制(zhi)(zhi)作(zuo)(zuo)有(you)机半导体层，然后制(zhi)(zhi)作(zuo)(zuo)源、漏电极(ji)(ji)，随(sui)后再制(zhi)(zhi)作(zuo)(zuo)绝缘(yuan)层，最后在(zai)绝缘(yuan)层上(shang)面制(zhi)(zhi)作(zuo)(zuo)栅极(ji)(ji)。这(zhei)两种栅极(ji)(ji)位于最顶部的(de)顶栅结构在(zai)文献报(bao)道中并不是很多。

图2是垂直沟(gou)(gou)道(dao)OFET结(jie)构，是以缩短沟(gou)(gou)道(dao)长度(du)为(wei)目的的一类新型(xing)场(chang)效应晶体管。它以半导体层为(wei)沟(gou)(gou)道(dao)长度(du)，依次蒸(zheng)镀漏(lou)-源-珊电(dian)极，通过改变栅电(dian)压来控制源、漏(lou)电(dian)极的电(dian)流变化。

图(tu)2垂直沟道(dao)OFET结构

这(zhei)种(zhong)结构的(de)主(zhu)要特点是：沟(gou)道长度由(you)微米量级降(jiang)低至(zhi)纳(na)米量级，极(ji)大(da)的(de)提(ti)高了器(qi)件的(de)工(gong)作(zuo)电(dian)流，降(jiang)低了器(qi)件的(de)开启(qi)电(dian)压。这(zhei)类晶(jing)体(ti)管的(de)不足(zu)之处(chu)在(zai)于(yu)漏-源(yuan)-栅极(ji)在(zai)同一竖直(zhi)面内，彼(bi)此间寄生电(dian)容(rong)的(de)存在(zai)使(shi)得零点电(dian)流发(fa)生漂移，一般通过放电(dian)处(chu)理后可以避免这(zhei)种(zhong)现象。

有机场(chang)效应晶体管是什么-工作(zuo)原理

有(you)(you)机(ji)场(chang)(chang)(chang)效应晶体(ti)(ti)管是(shi)一种基(ji)于(yu)有(you)(you)机(ji)半(ban)导(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)体(ti)(ti)的(de)(de)(de)有(you)(you)源器(qi)件，源极(ji)1导(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)沟(gou)道(dao)中(zhong)(zhong)(zhong)注入电(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)，漏极(ji)收集从导(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)沟(gou)道(dao)中(zhong)(zhong)(zhong)流出的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)，栅(zha)(zha)极(ji)诱(you)导(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)有(you)(you)机(ji)半(ban)导(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)体(ti)(ti)与绝(jue)缘(yuan)层界(jie)面产(chan)生(sheng)电(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)形成导(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)沟(gou)道(dao)。整个有(you)(you)机(ji)场(chang)(chang)(chang)效应晶体(ti)(ti)管可(ke)以看做是(shi)一个电(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)器(qi)，栅(zha)(zha)极(ji)是(shi)电(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)器(qi)的(de)(de)(de)一个极(ji)板(ban)，位(wei)于(yu)源漏电(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)之(zhi)间(jian)的(de)(de)(de)导(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)沟(gou)道(dao)是(shi)电(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)器(qi)的(de)(de)(de)另一极(ji)板(ban)，而夹在中(zhong)(zhong)(zhong)间(jian)的(de)(de)(de)栅(zha)(zha)绝(jue)缘(yuan)层相当(dang)(dang)于(yu)电(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)器(qi)的(de)(de)(de)绝(jue)缘(yuan)板(ban)。例(li)如，在底(di)栅(zha)(zha)顶接触有(you)(you)机(ji)场(chang)(chang)(chang)效应晶体(ti)(ti)管中(zhong)(zhong)(zhong)，当(dang)(dang)栅(zha)(zha)压(ya)和(he)源漏电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)均(jun)为零(ling)的(de)(de)(de)时候，器(qi)件处于(yu)关闭状态。外加一定的(de)(de)(de)栅(zha)(zha)压(ya)（Vg），有(you)(you)机(ji)半(ban)导(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)体(ti)(ti)层和(he)绝(jue)缘(yuan)层界(jie)面诱(you)导(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)产(chan)生(sheng)电(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)，在源漏电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)为零(ling)时，电(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)均(jun)匀的(de)(de)(de)分布在沟(gou)道(dao)中(zhong)(zhong)(zhong)，施加--定的(de)(de)(de)源漏电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)（Vsp），感应电(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)参与导(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)。通过调(diao)节栅(zha)(zha)压(ya)的(de)(de)(de)大小改变电(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)器(qi)电(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)(chang)(chang)强度(du)，调(diao)节导(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)沟(gou)道(dao)中(zhong)(zhong)(zhong)电(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)密度(du)，改变导(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)沟(gou)道(dao)的(de)(de)(de)宽窄(zhai)从而控(kong)制电(dian)(dian)(dian)(dian)流的(de)(de)(de)大小。因此，有(you)(you)机(ji)场(chang)(chang)(chang)效应晶体(ti)(ti)管是(shi)一种压(ya)控(kong)型(xing)的(de)(de)(de)有(you)(you)源器(qi)件。

 其中，Vr是阈值电(dian)压，Ci是绝(jue)缘层(ceng)单位面积的电(dian)容，u是载流子迁移率。当Va大于阈值电(dian)压且固定在某-一数(shu)值时，Vsp很小(xiao)（|Vspl《|VG-VT），此时，导(dao)电(dian)沟(gou)道(dao)中的电(dian)荷密(mi)度(du)是线性减少，有(you)机场效应晶体管处于线性工作区，漏(lou)电(dian)流可以通过方程式

（1）计算得到，随(sui)着VSP的增大(da)，当［Vspl=\Va-VT|时(shi)，器件处(chu)于(yu)(yu)预夹(jia)断状态，Vsp进(jin)-一步(bu)增大(da)，当IVspl》lVa-VT|时(shi)，预夹(jia)断区域向源极伸展，漏极附(fu)近(jin)无感应载流子产生，器件被(bei)夹(jia)断，电(dian)(dian)流达到饱和，器件将处(chu)于(yu)(yu)饱和工作区，漏电(dian)(dian)流可有(you)方(fang)程式(shi)

（2）计算得到，此后(hou)再(zai)加大Vsp，电(dian)流无变化。关(guan)于(yu)-一(yi)(yi)(yi)个器(qi)件到底是P型(xing)还(hai)(hai)是N型(xing)亦或是双极(ji)性(xing)，这主要取决于(yu)所采用的(de)(de)(de)(de)有(you)(you)(you)机(ji)半(ban)(ban)导(dao)(dao)(dao)体的(de)(de)(de)(de)性(xing)质(zhi)。其实对一(yi)(yi)(yi)一(yi)(yi)(yi)个独特的(de)(de)(de)(de)有(you)(you)(you)机(ji)半(ban)(ban)导(dao)(dao)(dao)体，它既拥有(you)(you)(you)正(zheng)的(de)(de)(de)(de)载(zai)流子(zi)又(you)拥有(you)(you)(you)负的(de)(de)(de)(de)载(zai)流子(zi)，当正(zheng)的(de)(de)(de)(de)载(zai)流子(zi)起主导(dao)(dao)(dao)作用的(de)(de)(de)(de)时候，对应的(de)(de)(de)(de)有(you)(you)(you)机(ji)半(ban)(ban)导(dao)(dao)(dao)体就是P型(xing)，反之(zhi)，当负的(de)(de)(de)(de)载(zai)流子(zi)起主导(dao)(dao)(dao)作用的(de)(de)(de)(de)时候，对应的(de)(de)(de)(de)有(you)(you)(you)机(ji)半(ban)(ban)导(dao)(dao)(dao)体就是N型(xing)。另外(wai)，一(yi)(yi)(yi)个材料(liao)表现出(chu)P型(xing)还(hai)(hai)是N型(xing)很(hen)大程度上还(hai)(hai)与器(qi)件的(de)(de)(de)(de)结构和应用的(de)(de)(de)(de)环境(jing)条(tiao)(tiao)件有(you)(you)(you)关(guan)：当合(he)适的(de)(de)(de)(de)注入接触，采用无陷阱绝缘层(ceng)和提供合(he)适的(de)(de)(de)(de)环境(jing)条(tiao)(tiao)件，大多数(shu)有(you)(you)(you)机(ji)半(ban)(ban)导(dao)(dao)(dao)体材料(liao)可表现出(chu)电(dian)子(zi)或空穴具有(you)(you)(you)相同(tong)数(shu)量级的(de)(de)(de)(de)迁(qian)移(yi)率来。

利用有机场效应体(ti)管(guan)提高(gao)器件光(guang)敏(min)性能

柔(rou)性(xing)(xing)、可(ke)(ke)(ke)拉伸及可(ke)(ke)(ke)打印的(de)有(you)(you)(you)机场效应(ying)晶(jing)体(ti)管（OFETs）在(zai)可(ke)(ke)(ke)穿戴电(dian)(dian)子(zi)(zi)、生(sheng)物医学、人工智(zhi)能及传感等领域有(you)(you)(you)着重要的(de)应(ying)用(yong)。除了使用(yong)有(you)(you)(you)机半(ban)导体(ti)，这些OFETs还(hai)往往采用(yong)多(duo)种多(duo)样(yang)的(de)有(you)(you)(you)机高(gao)分(fen)子(zi)(zi)材料(liao)作为介电(dian)(dian)层以保证器件(jian)整(zheng)体(ti)的(de)柔(rou)性(xing)(xing)、可(ke)(ke)(ke)拉伸性(xing)(xing)及可(ke)(ke)(ke)打印性(xing)(xing)能。然而(er)，OFETs中(zhong)有(you)(you)(you)机半(ban)导体(ti)/介电(dian)(dian)层的(de)界(jie)面(mian)电(dian)(dian)荷(he)捕获效应(ying)对器件(jian)性(xing)(xing)能有(you)(you)(you)着重要的(de)影响，而(er)不同(tong)(tong)的(de)高(gao)分(fen)子(zi)(zi)介电(dian)(dian)层赋予OFETs复杂多(duo)样(yang)的(de)界(jie)面(mian)效应(ying)，使得器件(jian)的(de)最终性(xing)(xing)能具有(you)(you)(you)很大(da)的(de)不可(ke)(ke)(ke)预测(ce)性(xing)(xing)。界(jie)面(mian)电(dian)(dian)荷(he)效应(ying)通(tong)常被认为是对OFETs晶(jing)体(ti)管性(xing)(xing)能的(de)一个(ge)不利影响因(yin)素。同(tong)(tong)时，有(you)(you)(you)机半(ban)导体(ti)/介电(dian)(dian)层的(de)界(jie)面(mian)被隐(yin)藏在(zai)OFETs的(de)器件(jian)内部，使得对该界(jie)面(mian)效应(ying)的(de)研(yan)究(jiu)一直以来都是一个(ge)重大(da)挑战。

同济大学(xue)教授研究团队巧妙地利用(yong)光(guang)(guang)照来(lai)刺(ci)激(ji)OFETs中(zhong)(zhong)有(you)(you)机(ji)半导体(ti)(ti)(ti)(ti)/介(jie)电(dian)(dian)层(ceng)(ceng)的(de)(de)界面(mian)(mian)(mian)效(xiao)应(ying)(ying)，由(you)此(ci)(ci)(ci)成功地开展了系统研究，发现并总结了有(you)(you)机(ji)半导体(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)侧链分子(zi)结构、高分子(zi)介(jie)电(dian)(dian)层(ceng)(ceng)的(de)(de)官能(neng)团极性(xing)等参数(shu)对上述界面(mian)(mian)(mian)效(xiao)应(ying)(ying)的(de)(de)影响，进一(yi)步揭示(shi)了界面(mian)(mian)(mian)效(xiao)应(ying)(ying)的(de)(de)深层(ceng)(ceng)机(ji)理(li)。利用(yong)该机(ji)理(li)，柔性(xing)光(guang)(guang)敏(min)晶(jing)体(ti)(ti)(ti)(ti)管(guan)的(de)(de)性(xing)能(neng)可(ke)以被精确地调(diao)控与(yu)优化，例如，该工(gong)作(zuo)(zuo)中(zhong)(zhong)光(guang)(guang)敏(min)晶(jing)体(ti)(ti)(ti)(ti)管(guan)的(de)(de)光(guang)(guang)暗(an)电(dian)(dian)流比可(ke)以通过调(diao)控界面(mian)(mian)(mian)效(xiao)应(ying)(ying)来(lai)改变1000倍(bei)以上。具(ju)有(you)(you)很强(qiang)界面(mian)(mian)(mian)效(xiao)应(ying)(ying)的(de)(de)OFETs在脉冲光(guang)(guang)刺(ci)激(ji)下表现出(chu)类似突触后电(dian)(dian)位(wei)的(de)(de)输出(chu)信号(hao)，因此(ci)(ci)(ci)可(ke)应(ying)(ying)用(yong)于(yu)人工(gong)神经元器(qi)(qi)件(jian)中(zhong)(zhong)的(de)(de)突触模拟器(qi)(qi)。因此(ci)(ci)(ci)，该工(gong)作(zuo)(zuo)展示(shi)了一(yi)种研究隐藏在OFETs内部的(de)(de)界面(mian)(mian)(mian)效(xiao)应(ying)(ying)的(de)(de)有(you)(you)效(xiao)方法，深入(ru)揭示(shi)了界面(mian)(mian)(mian)效(xiao)应(ying)(ying)的(de)(de)过程(cheng)机(ji)理(li)，提供了优化柔性(xing)光(guang)(guang)敏(min)晶(jing)体(ti)(ti)(ti)(ti)管(guan)性(xing)能(neng)的(de)(de)新策(ce)略，并由(you)此(ci)(ci)(ci)制(zhi)备了一(yi)种有(you)(you)机(ji)人工(gong)神经元器(qi)(qi)件(jian)。

联系方式：邹先生

联系电话：0755-83888366-8022

手机：18123972950

QQ：2880195519

联系地址：深圳市福田区车公庙天安数码城天吉大厦CD座5C1

关注KIA半导体工程专辑请搜微信号:“KIA半导体”或点击本文下方图片扫一扫进入官方微信“关注”。

关注「KIA半导体」，做优秀工程师！

长按二维码识别关注

阅读原文可一键关注+技术总汇