有機(jī)場效應(yīng)晶體管（Organic Field Effect Transistor，簡稱OFET）是一種重要的有機(jī)半導(dǎo)體器件，可應(yīng)用于平板顯示器的驅(qū)動(dòng)電路，作為記憶組件用于交易卡和身份識(shí)別器以及智能卡，還可用于環(huán)形振蕩器的邏輯門，有機(jī)顯示器的有源驅(qū)動(dòng)電路，有機(jī)傳感器,存儲(chǔ)器等領(lǐng)域。

　　自從1986年Tsumua等人利用聚噻吩作為活性材料制備第一個(gè)有機(jī)場效應(yīng)晶體管至今，OFET在性能上已有顯著提高。貝爾實(shí)驗(yàn)室的Batlogg小組利用OFET首次實(shí)現(xiàn)了有機(jī)激光的制備，并制得基于OFET 的互補(bǔ)邏輯電路，利用OFET結(jié)構(gòu)首次實(shí)現(xiàn)了高分子材料的超導(dǎo)性，并且把C60的超導(dǎo)溫度提高到117K，為超導(dǎo)材料的研究開辟了路徑。

　　OFET具有易加工，成本低，功耗小等許多無機(jī)場效應(yīng)管所不具備的優(yōu)點(diǎn)，因而有著廣泛的，極具潛力的應(yīng)用前景。但與無機(jī)場效應(yīng)管相比，有機(jī)半導(dǎo)體器件在性能、使用壽命和制作工藝等方面上還需要完善。

圖1 CuPc分子結(jié)構(gòu)圖

　　酞菁銅（copper phthalocyanine-（CuPc）是1927年瑞士化學(xué)家Dicsbach等將鄰苯二腈與溴化銅在一起加熱時(shí)， 意外發(fā)現(xiàn)的藍(lán)色化合物。CuPc是一種常見的化學(xué)染料，CuPc分子不僅具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、難燃性以及耐光、耐輻射性能,而且還具有導(dǎo)電性、光電導(dǎo)性、氣敏性、電致發(fā)光等特性,目前正發(fā)展成為一種多功能材料,用CuPc制作半導(dǎo)體器件、太陽能電池和整流裝置等已研究了較長時(shí)間。純凈的CuPc是一種深藍(lán)色粉末，在紫外線燈的照射下微微有熒光發(fā)出。CuPc是一種典型的空穴傳輸型有機(jī)半導(dǎo)體材料，具有較高的載流子遷移率，約為10^-2cm²/V·s。CuPc 分子結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　CuPc分子式為C32H16N8Cu；分子量是575.5，由5個(gè)原子組成，中心原子為銅離子，具有D4h對(duì)稱性，并有中心對(duì)稱的二維共軛π 電子結(jié)構(gòu)。CuPc具有很好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，采用真空蒸發(fā)的方法易制備均勻、結(jié)晶性良好的薄膜。

　　目前制備OFET普遍采用“反型”結(jié)構(gòu)（又稱“頂接觸式結(jié)構(gòu)”），即在場效應(yīng)管的柵極上構(gòu)筑整個(gè)器件。結(jié)構(gòu)如圖2 所示。柵極用金屬材料制作或用高度摻雜、導(dǎo)電性非常良好的硅基直接制作。在柵極上構(gòu)筑絕緣層；然后在絕緣層上淀積一層很薄的有機(jī)化合物（CuPc）用作場效應(yīng)管的半導(dǎo)體層；最后在有機(jī)半導(dǎo)體薄膜之上淀積兩個(gè)金屬電極作為源、漏極。該結(jié)構(gòu)應(yīng)用很廣泛，具有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在不足之處，如由于溝道較長，閾值電壓過高，通常高達(dá)幾十伏。

圖2 有機(jī)場效應(yīng)晶體管的頂接觸式結(jié)構(gòu)

　　傳統(tǒng)的OFET己經(jīng)研究得較為成熟，載流子遷移率可達(dá)到6cm²/V·s、電流開關(guān)比可達(dá)到106。但是傳統(tǒng)的OFET通常為平面結(jié)構(gòu)，由于制作工藝的限制使得縮短溝道長度很難，受到溝道長度的限制使得器件具有開啟電壓大、工作電流小等缺點(diǎn)。目前解決的方案主要有:(l)尋找高遷移率的有機(jī)材料;(2)減小絕緣層的厚度或采用高介電常數(shù)的絕緣材料;(3)減小溝道長度。基于對(duì)器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，部分學(xué)者己開始研究疊層結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管，其溝道長度為有機(jī)半導(dǎo)體的厚度，使得器件開啟電壓降到5V以下、工作電流達(dá)到毫安量級(jí)。大大的改善了器件的工作特性，由于溝道長度的減小更為小面積的集成電路打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。由于其具備的獨(dú)特優(yōu)勢已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注。

　　疊層結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管是以縮短溝道長度為目的的一類新型場效應(yīng)晶體管，它是以半導(dǎo)體層為溝道長度，大大降低了開啟的電壓，提高了工作電流。通過改變柵壓來控制源漏電極的電流變化，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。這種結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是，降低溝道長度由微米量級(jí)至納米量級(jí)，極大的提高了器件的工作電流、降低了器件的開啟電壓，但是這類晶體管的不足之處在于漏- 源- 柵在同一豎直面內(nèi)，彼此間寄生電容的存在使得零點(diǎn)電流發(fā)生漂移，一般通過放電處理后可以避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖3 疊層結(jié)構(gòu)有機(jī)場效應(yīng)晶體管的截面圖

　　為了降低閾值電壓，我們采用疊層結(jié)構(gòu)來制備OFET。如圖3所示。柵極為高摻雜的n 型硅片，其上生長一層SiO₂作為絕緣層；然后在上面淀積兩條平行的矩形Al膜作源極；接著在該Al電極上真空蒸鍍一層均勻的CuPc薄膜作為溝道層；最后在CuPc膜上再沉積兩條平行的矩形電極Al 膜作為漏極，其中漏極兩條矩形Al電極與源極兩條矩形Al電極垂直。圖4 為疊層結(jié)構(gòu)器件的俯視圖。該種結(jié)構(gòu)OFET特點(diǎn)是溝道長度等于有機(jī)層的厚度，可以制備得很短，從而閾值電壓較低。

　　有機(jī)場效應(yīng)晶體管制備的關(guān)鍵步驟是有機(jī)半導(dǎo)體層的形成，器件特性以及性能的好壞在很大程度上取決于有機(jī)薄膜的結(jié)構(gòu)和形貌。有序的分子結(jié)構(gòu)能使有機(jī)共軛分子的π鍵在源漏電極方向上得以最大程度的重疊，從而提高載流子的傳輸。因此探索新的有序分子形貌的有機(jī)場效應(yīng)晶體管制備技術(shù)，對(duì)OFET器件性能的改善起著關(guān)鍵性的作用。

圖4 疊層結(jié)構(gòu)有機(jī)場效應(yīng)晶體管的俯視圖