基于TiO2/PMMA復合絕緣層的并五苯場效應晶體管研究①

楊丹

摘 ? 要：當前制備高性能、柔性半導體器件已成為光電子領域的熱門研究，將高介電常數的無機材料與易成膜、柔性好的有機材料相結合制備高電容率絕緣層，是提升有機場效應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）的復合絕緣薄膜，介電常數相對純PMMA薄膜有所提升，將其作為場效應晶體管的絕緣層，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的有機場效應晶體管。

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

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

近年來，有機半導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用于有機半導體器件的研究之中。對于場效應晶體管（Field-Effect Transistor， FET）而言，人們為了克服傳統無機FET制備工藝復雜、成本高、資源有限等不足，也逐漸展開了有機場效應晶體管（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注[1-2]。為了提升器件性能，人們對OFET各功能層不斷優化以適應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體材料作為有源層，采用高介電常數的有機介電材料作為絕緣層，或者改良電極尺寸、間距以提升導電溝道寬長比等。其中，OFET絕緣層的薄膜質量（成膜性、厚度、材料等）直接影響著器件誘導產生載流子數目，即直接決定了導電性能，因此絕緣層的改良與優化一直被視為研究熱點。

理論上絕緣層電容率越高，可以誘導產生載流子數目越多，則器件開態電流越大，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）相結合，采用操作簡單的旋涂法獲得了介電常數相對較高的TiO2/PMMA復合絕緣層，應用于OFET中得到了電學性能優良的并五苯（Pentacene）場效應晶體管，這為制備高性能柔性OFET提供了理論依據與技術參考。

1 ?TiO2膠體溶液的制備

首先，將10mL前驅物鈦酸丁酯滴于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，得到穩定的奶黃色TiO2膠體溶液，以待下一步制備器件。

2 ?TiO2/PMMA復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導電玻璃作為器件基底，通過化學方法刻蝕出電極，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，經過100℃退火1h形成TiO2/PMMA復合絕緣層薄膜。最后，采用真空蒸鍍的方法制備鋁電極，形成ITO/TiO2/PMMA/Al的平行板電容器結構，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k，其中C為測量電容值，ε0為真空介電常數，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數量級，可用于進一步制備場效應晶體管。

3 ?基于TiO2/PMMA復合絕緣層的并五苯場效應晶體管的性能分析

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導電玻璃上旋涂TiO2/PMMA復合絕緣層薄膜。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的器件導電溝道，整體器件結構如圖2所示。

3.2 OFET器件的性能測試與分析

對基于TiO2/PMMA復合絕緣層的并五苯場效應晶體管的電學性能進行測試，得到器件的輸出特性曲線和轉移特性曲線，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數量級，說明通過高介電常數的TiO2/PMMA復合絕緣層誘導產生更多載流子，形成大的導通電流。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，表現出明顯的P型場效應晶體管特性。從圖3（b）轉移特性曲線可以得到器件的閾值電壓（VTh）為5.4 V，結合場效應管工作在飽和區的源漏電流公式[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特性，這為未來進一步應用與優化打下了堅實基礎。

4 ?結語

本文成功制備了TiO2膠體溶液，并將其與有機絕緣材料PMMA相結合，通過簡單旋涂的方法得到了TiO2/PMMA復合絕緣層，提升了單純PMMA絕緣層的介電性，且漏電流較小?；诖藦秃媳∧?，制備了并五苯場效應晶體管，表現出良好的P型場效應晶體管電學特性，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.