高性能柔性OFET器件最新进展研究

陈卉　文毅

【摘 要】有机场效应晶体管，因其质轻价廉且与柔性衬底兼容等优点，广泛应用于传感器阵列，平板显示器和射频识别等许多领域。为了获得迁移率高、空气稳定性好、机械柔韧性佳的高性能柔性OFET，本文以对器件性能影响较为显著的关键因素为出发点，阐述了柔性OFET器件衬底材料、绝缘层材料、电极材料及制备工艺的最新进展情况。结果表明，全有机柔性OFET器件具备低压操作，良好电荷捕获能力，弯曲时器件特性稳定等优点，适合大规模商业化使用。

【关键词】柔性OFET；丝蚕蛋白；交联；高介电常数；微图形；紫外线照射

The Research of Latest Development of High Performance Flexible OFET

CHEN Hui WEN Yi

（Electronic Engineering Department University of Electronic Science and Technology of ZhongShan Institute，

Zhongshan Guangdong 528402，China）

【Abstract】The field effect transistor is widely used in many fields such as sensor array，flat panel display and radio frequency identification because of its low cost and compatibility with flexible substrate.In order to obtain a high-performance flexible OFET with high mobility，good air stability，good mechanical flexibility，in this paper，start from the Key factors that affect device performance，the latest progress of the flexible OFET device substrate material，the insulating material，the electrode material and the preparation process is described.The results show that all organic flexible OFET devices have the advantages of low pressure operation，good charge trapping ability，stable device characteristics during bending，and are suitable for large-scale commercial use.

【Key words】Flexible OFET；Silk fibroin；Cross-linking；High dielectric constant；Micro-pattern；Ultraviolet irradiation

0 前言

有機场效应晶体管（OFET）已经成功应用于许多领域，如柔性显示器，射频识别（RFID）标签，可穿戴设备和各种类型的传感器，包括化学传感器，生物传感器，气体传感器和压力传感器等。由于有机半导体的光敏性质，在各种光电应用中，如光敏记录元件和光开关，OFET也得到了广泛的探索。柔性场效应晶体管可以通过低温加工制备，可以大面积生产，制备工艺简单，可以与柔性衬底兼容等。要在实际应用中充分利用这些优点，制备迁移率高、性能优异、可大规模商用的器件，需要对有机场效应晶体管（OFET）的材料及制备工艺进行研究。本文将从影响有机场效应晶体管（OFET）性能的几个关键因素——衬底材料、绝缘层材料、电极材料及制备工艺等进行阐述。

1 柔性OFET的衬底材料

目前，柔性OFETs的衬底材料主要有PET、PI、PES、PEN等聚合物材料，图1所示为四种材料的分子结构。这些聚合物衬底材料具有光学透明性好、耐腐蚀性强、质量轻、机械柔韧性佳、热敏电阻高等特点。在空间稳定性、透明度、吸湿性、化学腐蚀性和成本等方面，PET和PEN显示了足够的优势，然而二者的表面粗糙度和上限操作温度并不理想。PES有着很高的上限操作温度以及较好的光学透明性，但是在吸湿性、耐溶性和成本方面不尽人意。另外，PI有很好的机械柔韧性、很高的热稳定性和化学性质，但它并不是无色透明的，而是橙色的，且成本偏高。最近，在合成无色透明的PI方面有很大的技术进展。PET由于具有透明度高、成本低和传输性好等优点，成为当前广泛研究的柔性材料[1]。

图1 PET、PI、PES、PEN四种材料的分子结构图

美国斯坦福大学的鲍哲南小组利用生物可降解的聚合物衬底PLGA和绝缘层PVA制备柔性的有机场效应晶体管，器件在水中具有良好的稳定性。D.H.Kim等人利用丝素蛋白为衬底，通过转移的方法将制备的硅基器件转移到丝素蛋白衬底上，制备了具有部分生物降解能力的器件。美国西北大学的黄永刚等人利用丝素蛋白作为衬底，同样是利用转移的方法将制备好的硅基电路转移到衬底上，制备了一种可植入生物体的瞬态电子设备。他们是可生物降解的，生物相容的，环保的，天然丰富的，并且不需要复杂的化学合成[2]。有报道基于丝蚕蛋白（silk fibroin，SF）衬底的OFET器件的柔性和降解特性研究，研究器件在弯曲时器件性能的变化规律以及器件的降解特性。结果表明，器件在压应力的弯折条件下经历1000次弯折后器件的迁移率有12.4%的降低，同时器件的电流开关比提高了4倍，且器件形状保持良好的恢复特性，这表明丝蚕蛋白是一种很好的柔性衬底材料。

2 柔性OFET的绝缘层材料

想要采用低温溶液加工的方法制备柔性OFETs器件，并且想要获得较高的性能，很大程度上取决于器件的绝缘层材料。研究表明，高K金属氧化物材料作为栅绝缘层可以获得较高性能，但是，金属氧化物作为绝缘层材料与有机半导体层的接触界面不是太好，采用聚合物作为绝缘层时，就能提供一个与有机半导体相接触的良好界面。电介质膜应该薄，平滑，与其他材料兼容，具有低漏电流和高击穿电压，优异的长期稳定性。优良的电介质薄膜，应该使体中陷阱位点和离子杂质的存在最小化。研究表明，在低温（150℃）能完全交联反应的混合物薄膜，非常致密，可以承受高电场，这种交联反应非常有效的使得电介质层与活性层的界面处几乎没有电子捕获位点。

交联聚合物（4-乙烯基苯酚）（c-PVP）、PVP-HAD、基于硅氧烷的SOG已广泛应用于有机FET[3]。交联聚合物（c-PVP）可以将工作电压将至10V以下，有效提高了晶体管的稳定性。制造交联聚合膜需要在氮气氛围下进行处理，因为空气中的氧气和水将破坏交联聚合物与交联剂之间的反应。因此，研究不需要交联反应的最高介电常数（k）聚合物，不仅可以降低工作电压，还能提高器件的空气稳定性。高介电常數聚合物聚（偏二氟乙烯）（PVDF）是含有强电负性氟原子的聚合物弹性体，不同的PVDF基聚合物共混物（例如聚（甲基丙烯酸甲酯）的PVDF共混物）和共聚物（例如VDF和三氟乙烯的共聚物（TrFE）），已应用于强电介质FET器件[4]。PVDF基聚合物的延展性明显比传统的无机或其他聚合物介电材料更好，适用于灵活或可拉伸设备。

3 柔性OFET的电极材料

目前金属金（Au）被广泛用于在Si/SiO2基板的OFET器件的源极/漏极（S/D）电极，但是金属与半导体之间通常存在大的接触电阻。此外，利用金属作为电极对于制备完全柔性和溶液处理的电子器件相当困难。因此，急需具有高载流子注入效率、与有机半导体的界面兼容性优异、制备工艺简单、适用于柔性电子器件的电极材料。石墨烯，独特的二维单层SP2键合的碳原子，由于其卓越的电子和机械属性，已经被许多电子设备研究应用。特别是其高载流子迁移率，合适的功函数，良好的光学透明性和高化学稳定性使其成为全碳电子设备和电子产品中非常有应用价值的活性电极材料[5]。最近，几种使用石墨烯代替常规的Au作为SiO2/Si衬底上的S/D电极的OFET器件已经研制成功。

一维碳纳米管、碳纳米线具有独特结构的高分子材料，以其表面积大、吸附性能强、导电性能高、光学特性优良等优势，广泛应用于纳米电子器件、高性能传感器、电极材料等各个方面。目前很多关于石墨烯-碳纳米管复合材料的制备研究报道[6]，新型复合材料作为柔性OFET电极材料的研究也是值得进一步深入探索的。

4 柔性OFET的制备工艺

随着低成本、低温溶液制备技术的进步，特别是喷墨印刷技术的应用，使得人们可以不通过任何真空设备就可以制备柔性OFETs。常用的溶液成膜技术包括有机气相沉积（organic vapor phase deposition， OVPD）、旋涂、LB膜、分子自组装和喷墨打印等方法。

有机半导体的图案化对于制造大型器件阵列和复杂电路至关重要。常规光刻涉及精细，耗时，和昂贵的系统。此外，由于材料退化或者湿化学分层处理，光刻图案化会使得有机半导体器件性能下降。这些限制鼓励开发替代技术，出现了几种印刷方法，如喷墨印刷，热激光转印，虽然他们已经推动了功能分辨率达到100nm，但日益复杂昂贵的制造设备限制了其应用。与此同时，开发了可以提供更简单和更便宜制造路线的技术，如选择性去湿，米压印光刻，纳米扫描印刷和软光刻等[7]。这些方法已被用于有机电子器件制造并获得良好性能。然而，对于聚合物场效应晶体管具有聚合物半导体和聚合物栅极电介质，两个聚合物层通常由溶液处理形成。因此，在上层形成期间，下面的聚合物层可能被溶剂破坏，并导致不良的器件性能。为了解决这个问题，提出了通过热剥离和聚合物键合光刻技术微图案来转移聚合物半导体薄膜至柔性基板制作OFET的方法。

紫外线（UV）照射对有机半导体的影响报道较少。尽管如此，对有机半导体及有机器件的紫外线照射的影响的详细研究，对于开发低成本，低功率和高性能的民用和军用设备非常重要，包括烟雾和火灾探测，导弹警告，燃烧监测和臭氧传感等。有报道研究了紫外线照射对低电压，灵活，溶液处理OFET的电气性能的影响，研究对象选择的是高性能、空气稳定性好的有机半导体TIPS-pentacenewas。紫外线照射后由于光生激子作用，器件截止电流和阈值电压在正栅源电压（VGS）方向增加。对于强度为1.8mW/cm2的UV照射，Photo-OFET产生约500的最大漏极电流调制（光电流和暗电流的比例），最大光响应度为43mA/W[8]。在UV照射下导致阈值电压的正移，饱和电流降低，这种减少归因于长时间紫外线照射而导致的有机半导体结晶度的降低。

5 结论

综上所述，为了制备高性能柔性OFET器件，柔性衬底材料除了常用的PET、PI、PES、PEN等聚合物材料外，目前报道了生物可降解的聚合物衬底PLGA及丝素蛋白（SF），具备良好柔性和降解特性，是很好的柔性衬底材料。为了获得较高的性能，并且与衬底材料保持良好的兼容性，形成良好界面接触，绝缘层可以采交联聚合物或者高介电常数（k）聚合物。一维/二维碳纳米材料与有机材料的良好界面接触，高载流子注入特性，使得大规模柔性器件制备成为可能。为了避免常规的旋涂法、甩涂法成膜时在上层成膜期间，下面的聚合物层可能被溶剂破坏等问题，目前出现了很多更简单和更便宜制造路线的技术，如选择性去湿，米压印光刻，纳米扫描印刷和软光刻等，这些方法已被用于有机电子器件制造并获得良好性能。上述研究进展表明，大规模制备全有机柔性OFET器件成为可能。

【参考文献】

[1]董京，柴玉华，赵跃智，等.柔性有机场效应晶体管研究进展[J].物理学报，2013（62，04）：047301-047313

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[3]Afshin Dadvand，Jianping Lu ，Christophe Py，etc.Inkjet printable and low annealing temperature gate-dielectric based on polymethyl silsesquioxane for flexible n-channel OFETs [J].Organic Electronics，2016（30，03）：213-217

[4]Mao-ShenLu，Hung-ChinWu，Yu-WeiLin，etc.Low voltage operation of non-volatile flexible OFET memory devices using high-k P（VDF-TrFE）gate dielectric and polyimide charge storage layer [J].Reactive and Functional Polymers，2016（18，01）：1-8.

[5]Yongsheng Chen，Yanfei Xu，Kai Zhao，etc.Towards Flexible All-Carbon Electronics：Flexible Organic Field- Effect Transistors and Inverter Circuits Using Solution-Processed All-Graphene Source/Drain/Gate Electrodes[J].Nano Res，2010（03，10）：714-721.

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[7]Xinhong Yu，Zhe Wang，Sunyang Yu，etc.Micropatterning and transferring of polymeric semiconductor thin films by hot lift-off and polymer bonding lithography in fabrication of organic field effect transistors（OFETs） on flexible substrate [J].Applied Surface Science，2011（257，22）：9264-9268.

[8]Deepak Bharti，Vivek Raghuwanshi，Ishan Varun，etc.Effect of UV irradiation on solution processed low voltage flexible organic field-effect transistors[J].Superlattices and Microstructures，2017：1-7.

[责任编辑：田吉捷]