有机场效应晶体管的科技进展及市场应用
杜春燕
    有机电子材料及其在信息领域的应用是近年来一个崭新的研究方向，它体现了化学与材料，电子等学科的结合，
并逐渐形成一个新兴的行业——有机电子产业。与此同时，一门新兴的学科——“有机电子学”也孕育而生。2000
年的诺贝尔化学奖授予了黑格尔、麦克德尔米德等人以奖励他们在有机电子学、有机、聚合物材料研究方面取得的
重大突破。同年，美国的“科学”杂志将有机电子学取得的进展列为2000年十大科技成果之一。
    晶体管在近半个多世纪以来取得了举世瞩目的发展，是现代电子学、微电子学的主要基石之一。随着近年来电
子学的进一步发展，晶体管正由传统的无机半导体晶体管向有机场效应晶体管过渡。1986年，Tsumura等人第一次
报道了有机场效应晶体管（OFETs）。从此之后，其研究工作进展迅速并引起了人们的广泛关注。各种高效的有机材
料被报道，其薄膜迁移率也超过了无定形硅，显示了有机场效应晶体管的巨大应用价值。与无机场效应晶体管相比，
有机场效应晶体管与之最大的区别就是用有机半导体材料取代了无机半导体材料，具有突出的优势，其研究也如火
如荼。目前有机晶体管已经应用于环形振荡器的逻辑门、有机显示器的有源驱动电路、有机传感器、存储器、电子
书或电子纸领域等等。据预测10年以后有机电路和集成的应用范围将超过无机集成电路。
1. 有机场效应晶体管器件结构及材料研究进展
    常见的有机场效应晶体管是一个薄膜晶体管(OTFTs)，主要包括电极（源极source，漏极drain和栅极gate），
绝缘层和半导体层。当栅极没有施加电压时，源漏电极间没有或只有很少量的电流流动，这时晶体管处于关闭状态；
当对栅极施加电压时，半导体层和绝缘层之间会形成一个导电沟道，随着电压的增大，载流子开始在源漏电极间流
动，晶体管就处于开的状态。其器件结构主要分为顶接触模式、底接触模式和顶棚结构三种（见图1）。
    有机场效应晶体管材料是一类具有富含碳原子、具有大π 共轭体系的有机分子。按照传输载流子电荷的类型可
以分为p 型和n 型半导体。并五苯是目前在OTFTs中应用最广的有机半导体材料。对其进行修饰是目前有机半导体
研究的一个重点。2003年Meng等人制备了2, 3, 9, 10- 四甲基取代并五苯，由于甲基的引入，显著降低了分子的
氧化电位，改善了从金电极到有机半导体的电荷注入。
    2009 年，美国Polyera公司的Yan等开发了新型的基于萘二甲酰亚胺和北二甲酰亚胺聚合物，电子迁移率高达
0.85cm2/Vs，该聚合物弥补了n型有机半导体材料的空白。索尼独自开发了新型OTFTs，它使用的有机半导体材料
为peri-Xanthenoxanthene衍生物，该晶体管的驱动力达到先前传统OTFTs的八倍。
    相比多晶薄膜晶体管，有机单晶晶体管具有更高的载流子迁移率，可以满足高端领域的需求。近年来，随着有
机单晶制备技术的提高，在单晶晶体管研究方面也出现了一系列新的突破。目前采用红荧烯制备的单晶晶体管，载
流子迁移率优于传统的无机半导体多晶硅的水平。2006年，鲍哲南等人成功的制备了并五苯和红荧烯的单晶阵列，
并在此基础上组装了晶体管器件，取得巨大的进展。
2. 有机场效应晶体管的薄膜沉积技术
    对无机场效应晶体管来说，半导体硅的沉积通常采用物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、溅射等气相
方法，因为硅本身在溶剂中的溶解性很差，同时蒸汽压又比较高。这种气相沉积通常都需要很高的处理温度，一般
都要高于350℃。而有机场效应晶体管则与之不同，各个组分层（电极，半导体，绝缘层等）可以采用多种技术沉
积：一方面它们和无机物一样可以采用传统的气相沉积方法；另一方面，由于有机半导体材料的柔性和良好的溶解
性，有机器件的制备可以采用旋涂，喷墨打印，印刷等各种溶液方法。相对昂贵的气相沉积方法而言，溶液制备方
法不但可以降低器件的制备成本，而且可以进行大面积制备，这也是我们前面提到的有机场效应晶体管的优势所在。
尽管早期报道的有机场效应晶体管采用的完全是无机器件的制备方式，而仅仅将半导体层换成了有机物，1998年科
学家已经成功制备出完全采用有机材料的循环电路。可以说，溶液制备技术为有机场效应晶体管的发展开创了新的
局面，使得制备简单，价格低廉的有机场效应晶体管得到广泛应用。
3. 有机场效应晶体管的应用
    鉴于有机场效应晶体管所具有的优点，近几年来OFET的发展非常迅速，部分有机材料的性能已可以与无定形硅
的性能相媲美。目前有机场效应晶体管已经被用于许多领域，如智能卡，电子商标，传感器和有源矩阵显示器等。
    ① 智能卡
    智能卡（Smart card）是当今信用卡领域的新产品，即在信用卡上安装一个拇指大小的微型电脑芯片，这个芯
片包含了持卡人的各种信息。和磁条相比，智能卡具有更高的防伪能力，已广泛应用于银行、电信、交通等各方面。
现在的智能卡主要是无机硅器件，制造工艺复杂，硬度大，弯曲时芯片容易受到破坏。利用有机场效应晶体管器件
后，智能卡会更持久耐用。因为，有机材料具有自身的优势，弹性/柔韧性好，可以更好的和塑料衬底兼容，而且材
料种类繁多，制备成本低，因而在智能卡方面的应用前景广阔。
    ②射频电子商标（RFID）
    射频设别技术是利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递，通过传递的信息达到识别目的的技术。其识
别技术主要由电子标签和阅读器组成，其中的电子标签内存有一定格式的电子数据，作为识别物品的标识性信息，
阅读器与电子标签通过协议相互传递信息，将内存的标识性数据传给阅读器。有机RFID作为一种新事物，是有机半
导体和RFID技术相结合的产物。有机RFID标签的工作原理、结构、功能及频谱划分等与无机RFID相比并没有太大
的区别，二者主要的区别在于材料和加工工艺的不同。无机RFID标签的芯片部分需要通过复杂及昂贵的IC工艺在
硅片上制备出来，然后再与天线部分集成在一起构成完整的标签。而有机RFID标签则力图全部通过印刷技术，用金
属和有机物墨水把天线和芯片直接制备在同一衬底上，因为采用了印刷电子技术，有机薄膜晶体管能够使电路制备
在便宜的塑料基底上，通过卷对卷（R2R）印刷技术批量生产有机RFID标签，这样制作工艺将得到简化，成本也将
大大地降低。据文献报导，全有机的RFID标签成本将降至每枚0.01～0.02美元。
    ③ 传感器
    当FET器件的结构为低电极结构时，有机半导体材料在器件的最上层。当气体分子或蒸汽与有机层作用时，根
据场效应晶体管的电流及电位特性变化，可以测得气体的种类和含量。这种场效应晶体管传感器与电阻器相比，可
以检测一系列参数的变化，主要有有机薄膜的体电导率，二维场致电导率，晶体管临界电压和场效应迁移率。第一
个参数是作为活性层材料本身的性质，其它三个都是器件参数。这些参数很容易从实验得到的I-V曲线得出。但是
目前有机半导体材料的性能还不够理想，传感器的响应信号比较低，还远达不到实际应用的程度。随着OFET材料的
开发利用，气体传感器的灵敏度和选择性都会得到很大的发展，高性能的电子鼻将会得到广泛的利用。
    ④ 有源矩阵显示器
    利用高速度、高能量放大的 OFET 作为平板显示的驱动部分，与液晶和有机光电器件组合成全有机的显示屏具
有以下优良性能：(1)低驱动电压和高发光效率，(2)高速度操作,(3)优良的光电性能和器件稳定性。
    目前，平板显示器（如液晶显示器）的驱动部分主要是无定型硅薄膜场效应晶体管器件。然而，有机 FET 制备
条件更为简单，可以在室温下制备，并与透明的塑料衬底兼容。目前，基于并五苯的FET 器件性能已接近甚至超过
无定型硅器件，其在有源矩阵的驱动方面得到广泛应用。采用有机FET 的有源矩阵平板显示技术可以应用于液晶显
示（OFET-LCD）、有机发光显示（OFET-OLED 和(OFET-PLED）以及柔性显示等。