基于TiO2/PMMA复合绝缘层的并五苯场效应晶体管研究①

杨丹

摘   要：当前制备高性能、柔性半导体器件已成为光电子领域的热门研究，将高介电常数的无机材料与易成膜、柔性好的有机材料相结合制备高电容率绝缘层，是提升有机场效应晶体管性能的有效途径之一。本文采用简便的旋涂法制备了二氧化钛（TiO2）与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的复合绝缘薄膜，介电常数相对纯PMMA薄膜有所提升，将其作为场效应晶体管的绝缘层，加之并五苯作为有源层，得到了低制备成本，高载流子迁移率，且具可柔性加工潜质的有机场效应晶体管。

关键词：二氧化钛（TiO2）  聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）  绝缘层  有机场效应晶体管（OFET）

中图分类号：TN386                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）09（b）-0086-03

近年来，有机半导体材料由于制备工艺简单、成本低、易于成膜且具柔性等特点已被广泛应用于有机半导体器件的研究之中。对于场效应晶体管（Field-Effect Transistor， FET）而言，人们为了克服传统无机FET制备工艺复杂、成本高、资源有限等不足，也逐渐展开了有机场效应晶体管（Organic Field-Effect Transistor， OFET）的研究，无论在理论计算还是实验制备等方面都引起了人们的广泛关注[1-2]。为了提升器件性能，人们对OFET各功能层不断优化以适应未来电子器件的高要求，如采用高载流子迁移率的有机半导体材料作为有源层，采用高介电常数的有机介电材料作为绝缘层，或者改良电极尺寸、间距以提升导电沟道宽长比等。其中，OFET绝缘层的薄膜质量（成膜性、厚度、材料等）直接影响着器件诱导产生载流子数目，即直接决定了导电性能，因此绝缘层的改良与优化一直被视为研究热点。

理论上绝缘层电容率越高，可以诱导产生载流子数目越多，则器件开态电流越大，性能越好。减小绝缘层厚度是一种有效提高绝缘层电容率的方法，但厚度过小会导致器件漏电流过大反而影响器件性能。另一种常用方法即采用高介电常数材料作为绝缘层，如SiO2、Ta2O5、Al2O3、TiO2等[3]，但由于无机绝缘层材料大多制备工艺要求高且柔性差，对于制备柔性器件存在一定弊端。有机绝缘层材料则可以满足低成本柔性器件的制备要求，但通常介电常数相对无机材料小很多，因此人们尝试将有机与无机材料混合使用制备OFET绝缘层，以满足高介电性与柔性相兼容的要求。本文创新使用可直接成膜的TiO2胶体，将其与有机绝缘材料聚甲基丙烯酸甲酯（poly（methyl methacrylate），PMMA）相结合，采用操作简单的旋涂法获得了介电常数相对较高的TiO2/PMMA复合绝缘层，应用于OFET中得到了电学性能优良的并五苯（Pentacene）场效应晶体管，这为制备高性能柔性OFET提供了理论依据与技术参考。

1  TiO2胶体溶液的制备

首先，将10mL前驱物钛酸丁酯滴于20mL无水乙醇中，剧烈搅拌30min形成溶液1。其次，将2mL螯合剂冰乙酸、1mL催化剂硝酸和1.5mL去离子水滴于10mL无水乙醇中，得到混合溶液2，并将其缓慢加入溶液1中，剧烈搅拌2h后得到黄色清澈溶液。最后，将溶液在室温下静置陈化24h，得到稳定的奶黄色TiO2胶体溶液，以待下一步制备器件。

2  TiO2/PMMA复合绝缘层的性能分析

2.1 TiO2/PMMA电容器件的制备

首先，选用高透ITO导电玻璃作为器件基底，通过化学方法刻蚀出电极，洗净、臭氧处理后备用。其次，将TiO2胶体溶液以2000rpm的转速旋涂于处理过的ITO基片上，静置2min后再以相同速率旋涂60mg/mL的PMMA甲苯溶液，经过100℃退火1h形成TiO2/PMMA复合绝缘层薄膜。最后，采用真空蒸镀的方法制备铝电极，形成ITO/TiO2/PMMA/Al的平行板电容器结构，同时以纯PMMA有机绝缘材料作为参考，制备ITO/PMMA/Al电容器作为对比器件。

2.2 TiO2/PMMA电容器件的性能测试与分析

利用台阶仪对器件绝缘层薄膜厚度进行测量，得到复合绝缘层厚度为640nm，其中TiO2胶体薄膜120nm，PMMA有机绝缘层520nm。通过LCR测量仪测定两种电容器ITO/TiO2/PMMA/Al和ITO/PMMA/Al的电容值，在100 kHz时分别为4.6 nF/cm2和4.2nF/cm2。由公式[4]可以计算出绝缘层的介电常数k，其中C为测量电容值，ε0为真空介电常数，A为电容器有效面积，t为介电层厚度。通过计算得到k值分别为3.33和3.05，说明TiO2/PMMA复合绝缘层具有相对较高的介电性，这是由于高绝缘性材料TiO2的引入。另外，由电容器的I-V特性曲线（如图1所示）可以看出，加入TiO2层后PMMA绝缘层的漏电流虽有所提高，但仍在10-9A数量级，可用于进一步制备场效应晶体管。

3  基于TiO2/PMMA复合绝缘层的并五苯场效应晶体管的性能分析

3.1 OFET器件的制备

首先，采用与之前电容器制备相同的方法，在刻蚀有栅电极（G）的ITO导电玻璃上旋涂TiO2/PMMA復合绝缘层薄膜。再次，利用真空蒸镀的方法制备并五苯有源层薄膜，在2×10-4Pa的真空下以0.5nm/s的平均速率蒸镀有机半导体并五苯，之后保持真空室温度和真空度静置30min使并五苯薄膜进一步生长。最后，使用叉指状掩膜版真空蒸镀源（S）、漏（D）金电极，形成长100μm，宽长比为172的器件导电沟道，整体器件结构如图2所示。

3.2 OFET器件的性能测试与分析

对基于TiO2/PMMA复合绝缘层的并五苯场效应晶体管的电学性能进行测试，得到器件的输出特性曲线和转移特性曲线，如图3所示。由图3（a）输出特性曲线可以看出，源漏电流（IDS）可以达到10-4A数量级，说明通过高介电常数的TiO2/PMMA复合绝缘层诱导产生更多载流子，形成大的导通电流。另外，IDS随源漏电压（VDS）的负向增大而增大，且趋于饱和，同时还随栅极电压（VGS）递增，表现出明显的P型场效应晶体管特性。从图3（b）转移特性曲线可以得到器件的阈值电压（VTh）为5.4 V，结合场效应管工作在饱和区的源漏电流公式[5]可以求出载流子迁移率μ，其中W和L为沟道宽度和长度。通过计算可以得到器件载流子迁移率为0.18 cm2/Vs，说明器件具有良好的晶体管电学特性，这为未来进一步应用与优化打下了坚实基础。

4  结语

本文成功制备了TiO2胶体溶液，并将其与有机绝缘材料PMMA相结合，通过简单旋涂的方法得到了TiO2/PMMA复合绝缘层，提升了单纯PMMA绝缘层的介电性，且漏电流较小。基于此复合薄膜，制备了并五苯场效应晶体管，表现出良好的P型场效应晶体管电学特性，阈值电压为5.4 V，载流子迁移率为0.18cm2/Vs，为今后的薄膜与器件研究提供了实验依据和新思路。

参考文献

[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. 有机纳米与分子器件[M]. 北京：科学出版社，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.