CN111192969A - 一种基于聚f8bt晶体的发光场效应管结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于新型电子元器件制备领域，涉及一种基于聚F8BT晶体的发光场效应管结构及制备方法。本发明将受控蒸发自组装方法与双溶剂方案相结合获得晶体质量很高的晶体阵列，膜的覆盖度也大幅度的提高，有机膜晶体宽度变宽。通过本发明方法获得的高度有序晶体阵列作为发光层相比基于普通薄膜作为发光层的有机发光场效应管具有更低的开启电压，更高的外量子效率以及更好的发光性能。本发明用双溶剂蒸发法制得的发光层相比旋涂制备的薄膜可以实现载流子的快速定向传输。

Description

一种基于聚F8BT晶体的发光场效应管结构及制备方法

技术领域

本发明属于新型电子元器件制备领域，涉及一种基于聚F8BT晶体的发光场效应管结构及制备方法。

背景技术

发光场效应晶体管(LFET)是结合了具有晶体管开关特性的发光二极管，它可以通过空间分辨探针直接访问有机半导体形成电荷复合区，可以使得有机器件在光电集成电路中有更广泛的应用。但是此类器件的缺点是外量子效率不高。为了获得更高的效率，利用有机半导体，将重组层中的激子与相邻电荷传输层和注入层中的电荷分离。有机发光场效应晶体管(OLET)可以将有机晶体管的电开关特性与有机发光二极管的发光特性结合起来。为显示器、照明和集成光电子器件的一系列应用提供了新的器件结构。这种器件结构的优点是复合区的位置可以通过施加的栅极和漏极电压在晶体管沟道内移动，使其远离任何吸收性金属电极。这样可以最大程度地减少电极上的光子损耗，并使OLET成为广泛研究的器件结构，特别是对于需要高激发密度的应用，例如有机电注入激光器。

然而这种制备OLET发光层的方法大多是通过旋涂或者蒸镀制得的，这种方法制得的发光层通常无定向结晶，导致器件的发光效率很低，不能完全发挥出OLET器件的潜力，这就要求一种制备发光层高度有序晶体阵列的方法。

由于可溶液处理的小分子有机半导体有相对较高的电荷载流子传输和制造成本较低而得到了深入的研究，这使其在大面积的柔性电子领域具有广阔的应用前景。然而，由于小分子有机半导体薄膜通常会表现出随机的晶体取向且覆盖率很差，这导致有机薄膜晶体管(OTFT)的性能发生明显变化，因此必须对晶体进行良好的对准才能实现OLET的性能一致性。在以上这些工作中获得的膜仍然显示出低的面积覆盖率，必须对其进行改进以制造具有性能均匀性的高迁移率的OLET。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于聚F8BT晶体的发光场效应管结构及制备方法，是一种基于聚(9,9-二辛基芴基-2,7-二基)(F8BT)晶体的发光场效应管，将受控蒸发自组装方法与双溶剂方案相结合，利用小分子有机半导体在略微倾斜的基底上的生长，在基底的倾斜方向上排列良好、高度有序的带状小分子有机半导体F8BT晶体阵列，以控制晶体生长并增强有机半导体的面积覆盖率。通过本发明方法制备的有机发光场效应管具有低开压，高外量子效率并能实现双极传输，可以大幅度的提高OLET器件的发光性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案：

一种基于聚F8BT晶体的发光场效应管结构，包括多层，采用顶栅结构，从下至上，第一层为透明玻璃基底；第二层的两侧为分别源极和漏极，中间为发光层；第三层的两侧分别为电子注入层和空穴注入层，中间为发光层；第四层为发光层，与第二层和第三层的发光层为一体结构；第五层为绝缘层；第六层为栅极；

所述的源极材质为铝(Al)；所述的栅极和漏极材质为金(Au)；所述的发光层的材质为F8BT晶体阵列；所述的电子注入层材质为氧化锌(ZnO)；所述的空穴注入层材质为三氧化钼(MoO₃)；所述的绝缘层材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

所述的发光层厚度为70-90nm(包括与第二层和第三层交叉部分)。

所述的绝缘层厚度为600-700nm。

所述的空穴注入层厚度为3-5nm。

所述的电子注入层厚度为3-5nm。

所述的源极和漏极厚度为30-50nm。

所述的栅极厚度为10-16nm。

所述的源极和漏极为叉指状；所述的栅极为片状。

一种基于聚F8BT晶体的发光场效应管结构的制备方法，步骤如下：

步骤1.将透明玻璃基底依次置于洗洁精、去离子水、甲醇、异丙醇中超声清洗，然后干燥。

步骤2.将掩膜版放置在步骤1得到的透明玻璃基底上，所使用的掩膜版上的图案为梳齿状，镂空条纹的宽度即为源极和漏极的宽度相同，镂空条纹的一端不连通，另一端相连通，连通端向外延展，使连通端的的长度长于最外端的两个梳齿之间的距离，相连通端用于连接各个电极；调整掩膜版的位置，使镂空条纹位于透明玻璃基底的一端；将固定在一起的掩膜版和透明玻璃基底置于蒸发镀膜机中，以0.3-0.5nm/s的速度在透明玻璃基底上沉积厚度为30-50nm铝，作为源极；然后切换蒸发源以0.1-0.3nm/s的速度在源极上沉积厚度为3-5nm氧化锌，作为电子注入层。

步骤3.以掩膜版的连通端向外延展部分的边缘为对称轴，将掩膜版对称翻转180°后再置于透明玻璃基底上，使镂空条纹位于透明玻璃基底的另一端，二者固定后置于蒸发镀膜机中，以0.3-0.5nm/s的速度在透明玻璃基底上沉积厚度为30-50nm金，作为漏极；然后切换蒸发源以0.1-0.3nm/s的速度在漏极上沉积厚度为3-5nm三氧化钼，作为空穴注入层。

步骤4.将掩膜版从步骤3得到的透明玻璃基底从上取出，然后将玻璃基底置于130-140℃的HMDS溶液中进行疏水化处理20-30分钟，然后在处理后的透明玻璃基底上水平放置一个圆柱形玻璃瓶，使圆柱形玻璃瓶的侧壁表面与透明玻璃基底相接触，且圆柱体位于两电极外侧，以便在两电极之间生长晶体。

步骤5.将F8BT溶于二甲苯和乙酸正丁酯的混合溶液中得到F8BT溶液，其中F8BT的浓度为10-15mg/ml，二甲苯和乙酸正丁酯比例为5:1-20:1；将F8BT溶液滴入玻璃瓶和透明玻璃基底之间的缝隙中，在温度为60-80℃条件下加热蒸干，去掉圆柱形玻璃瓶得到F8BT晶体；其中以获得厚度为70-90nm的发光层。

步骤6.将PMMA溶于乙酸正丁酯中，得到浓度为60-70mg/ml的PMMA溶液，在步骤5得到的F8BT晶体上用匀胶机以4000rpm-5000rpm的速度旋涂一层厚度为600-700nmPMMA透明薄膜，作为绝缘层。

步骤7.将旋涂完绝缘层的透明玻璃基底置于蒸发镀膜机中，在PMMA透明薄膜上以0.1-0.3nm/s的速度蒸镀厚度3-5nm金作为栅极。

所述的掩膜版，两镂空条纹之间的未镂空处的宽度为60um，镂空条纹长度为3mm。

本发明的有益效果：

1.本发明将受控蒸发自组装方法与双溶剂方案相结合获得晶体质量很高的晶体阵列，膜的覆盖度也大幅度的提高，有机膜晶体宽度变宽。

2.通过本发明方法获得的高度有序晶体阵列作为发光层相比基于普通薄膜作为发光层的有机发光场效应管具有更低的开启电压，更高的外量子效率以及更好的发光性能。

3.本发明用双溶剂蒸发法制得的发光层相比旋涂制备的薄膜可以实现载流子的快速定向传输。

附图说明

图1为本发明的一种基于聚F8BT晶体的发光场效应管结构的剖面示意图。

图2为高度有序的F8BT晶体阵列显微镜图。

图3为俯视的完整器件显微镜图。

图4为栅极电压为0伏安时，源漏电流与源漏电压的I-V曲线图。

图5为源漏电压为-100伏安时，源漏电流与栅压的I-V曲线图。

图6为掩模版示意图。

图7为晶体形成示意图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，一种基于聚F8BT晶体的发光场效应管结构，包括多层结构，从下至上，第一层为透明玻璃基底；第二层的两侧为分别源极和漏极，中间为发光层，源极材质为铝，漏极材质为金；第三层的两侧分别为电子注入层和空穴注入层，中间为发光层；第四层为发光层，与第二层和第三层的发光层为一体结构，材质为F8BT晶体阵列；第五层为绝缘层，材质为聚甲基丙烯酸甲酯；第六层为栅极，材质为金。

本发明的一种基于聚F8BT晶体的发光场效应管结构的制备方法如下：

实施例1

步骤1.清洗透明导电玻璃衬底，所采用的衬底普通透明玻璃

采用透明作为衬底，将其进行化学清洗，清洗步骤为：首先将衬底用洗洁精加去离子水超声振荡20min，然后采用相同方法采用去离子水，丙酮，异丙醇依次清洗20min，最后用氮气吹干。

将清洗后的玻璃放入Plasma内，进行紫外氧气处理10min。

步骤2.将清洗并干燥完的基板与掩膜版进行固定，并将样品开始置于蒸发镀膜机中，真空抽真空至低至6.0×10^-4Pa，以0.3nm/s的速度基底上沉积30nm铝电极；然后关闭蒸发源切换蒸发通道，再次等待真空抽真空至低至6.0×10^-4Pa，以0.1nm/s的速度在铝电极上沉积3nm氧化锌。所使用的掩膜版的结构如图6所示。

步骤3.将基板从掩膜版上取出，调转180°再次置于蒸发镀膜机中，抽真空至6.0×10^-4Pa，以0.3nm/s的速度在基底上沉积30nm金电极；然后关闭蒸发源切换蒸发通道，再次等待真空度低至6.0×10^-4Pa，以0.1nm/s的速度在金电极上沉积3nm三氧化钼。

步骤4.将蒸镀完电极的基板粘贴在培养皿上，并将培养皿倒扣在130℃加热的HMDS溶液上利用溶液蒸汽进行疏水化处理20分钟，在处理完之后的基板上放置一个圆柱形玻璃瓶。

步骤5.用天平称取10mgF8BT并用移液枪量取二甲苯和乙酸正丁酯的混合溶液(二甲苯和乙酸正丁酯比例为5:1)共1ml，将F8BT溶于混合溶液中60℃加热搅拌一小时，将F8BT溶液滴入玻璃瓶和基板之间的缝隙中，加热等待蒸干，长成F8BT晶体，得到70nm的发光层。晶体形成原理如图7所示，得到的高度有序的F8BT晶体阵列如图2所示。

步骤6.用天平称取60mg的PMMA并用移液枪量取1ml乙酸正丁酯溶液，将PMMA溶于乙酸正丁酯中60℃加热搅拌一小时，在F8BT晶体上用匀胶机以4000rpm的速度旋涂一层600nm厚的PMMA透明薄膜。

步骤7.将旋涂完的基片置于蒸发镀膜机中，抽真空至6.0×10^-4Pa，在PMMA上以0.1nm/s蒸镀10nm的透明金电极作为栅极。

最终得到本发明的基于聚F8BT晶体的发光场效应管结构，如图3所示。栅极电压为0伏安时，源漏电流与源漏电压的I-V曲线如图4所示，表明器件具有良好的导电性能，源漏电压为-100伏安时，源漏电流与栅压的I-V曲线如图5所示，栅压对空穴电子复合区具有较好的调控性。

实施例2

步骤1.清洗透明导电玻璃衬底，所采用的衬底普通透明玻璃

采用透明作为衬底，将其进行化学清洗，清洗步骤为：首先将衬底用洗洁精加去离子水超声振荡30min，然后采用相同方法采用去离子水，丙酮，异丙醇依次清洗50min，最后用氮气吹干。

将清洗后的玻璃放入Plasma内，进行紫外氧气处理20min。

步骤2.将清洗并干燥完的基板与掩膜版进行固定，并将样品开始置于蒸发镀膜机中，真空抽真空至低至5.0×10^-4Pa，以0.4nm/s的速度基底上沉积40nm的铝电极；然后关闭蒸发源切换蒸发通道，再次等待真空抽真空至低至5.0×10^-4Pa，以0.2nm/s的速度在铝电极上沉积4nm的氧化锌。

步骤3.将基板从掩膜版上取出，调转180°再次置于蒸发镀膜机中，抽真空至4.0×10^-4Pa，以0.4nm/s的速度在基底上沉积40nm金电极；然后关闭蒸发源切换蒸发通道，再次等待真空度低至5.0×10^-4Pa，以0.2nm/s的速度在金电极上沉积4nm的三氧化钼。

步骤4.将蒸镀完电极的基板粘贴在培养皿上，并将培养皿倒扣在140℃加热的HMDS溶液上利用溶液蒸汽进行疏水化处理30分钟，在处理完之后的基板上放置一个圆柱形玻璃瓶。

步骤5.用天平称取12mgF8BT并用移液枪量取一定比例的二甲苯和乙酸正丁酯的混合溶液(二甲苯和乙酸正丁酯比例为10:1)共1ml，将F8BT溶于混合溶液中70度加热搅拌一小时，将F8BT溶液滴入玻璃瓶和基板之间的缝隙中，加热等待蒸干，长成F8BT晶体，得到80nm的发光层。

步骤6.用天平称取65mg的PMMA并用移液枪量取1ml乙酸正丁酯溶液，将PMMA溶于乙酸正丁酯中70℃加热搅拌半小时，在F8BT晶体上用匀胶机以4500rpm的速度旋涂一层650nm厚的PMMA透明薄膜。

步骤7.将旋涂完的基片置于蒸发镀膜机中，抽真空至6.0×10-4Pa，在PMMA上以0.2nm/s蒸镀13nm的透明金电极作为栅极。

实施例3

步骤1.清洗透明导电玻璃衬底，所采用的衬底普通透明玻璃

采用透明作为衬底，将其进行化学清洗，清洗步骤为：首先将衬底用洗洁精加去离子水超声振荡10min，然后采用相同方法采用去离子水，丙酮，异丙醇依次清洗60min，最后用氮气吹干。

将清洗后的玻璃放入Plasma内，进行紫外氧气处理40min。

步骤2.将清洗并干燥完的基板与掩膜版进行固定，并将样品开始置于蒸发镀膜机中，真空抽真空至低至7.0×10^-4Pa，以0.5nm/s的速度基底上沉积50nm的铝电极；然后关闭蒸发源切换蒸发通道，再次等待真空抽真空至低至7.0×10^-4Pa，以0.3nm/s的速度在铝电极上沉积5nm的氧化锌。

步骤3.将基板从掩膜版上取出，调转180°再次置于蒸发镀膜机中，抽真空至7.0×10^-4Pa，以0.5nm/s的速度在基底上沉积50nm的金电极；然后关闭蒸发源切换蒸发通道，再次等待真空度低至7.0×10^-4Pa，以0.3nm/s的速度在金电极上沉积5nm的三氧化钼。

步骤4.将蒸镀完电极的基板粘贴在培养皿上，并将培养皿倒扣在135℃加热的HMDS溶液上利用溶液蒸汽进行疏水化处理10分钟，在处理完之后的基板上放置一个圆柱形玻璃瓶。

步骤5.用天平称取15mg F8BT并用移液枪量取一定比例的二甲苯和乙酸正丁酯中的混合溶液(二甲苯和乙酸正丁酯比例为20:1)共1ml，将F8BT溶于混合溶液中80℃加热搅拌一小时，将F8BT溶液滴入玻璃瓶和基板之间的缝隙中，加热等待蒸干，长成F8BT晶体，，得到90nm的发光层。

步骤6.用天平称取70mg的PMMA并用移液枪量取1ml乙酸正丁酯溶液，将PMMA溶于乙酸正丁酯中80度加热搅拌一小时，在F8BT晶体上用匀胶机以5000rpm的速度旋涂一层700nm厚的PMMA透明薄膜。

步骤7.将旋涂完的基片置于蒸发镀膜机中，抽真空至6.0×10-4Pa，在PMMA上以0.3nm/s蒸镀16nm的透明金电极作为栅极。

Claims (4)

1.一种基于聚F8BT晶体的发光场效应管结构，其特征在于，所述的发光场效应管结构包括多层，采用顶栅结构，从下至上，第一层为透明玻璃基底；第二层的两侧为分别源极和漏极，中间为发光层；第三层的两侧分别为电子注入层和空穴注入层，中间为发光层；第四层为发光层，与第二层和第三层的发光层为一体结构；第五层为绝缘层；第六层为栅极；

所述的源极材质为铝；所述的栅极和漏极材质为金；所述的发光层的材质为F8BT晶体阵列；所述的电子注入层材质为氧化锌；所述的空穴注入层材质为三氧化钼；所述的绝缘层材质为聚甲基丙烯酸甲酯。

2.根据权利要求1所述的一种基于聚F8BT晶体的发光场效应管结构，其特征在于：

所述的发光层厚度为70-90nm；

所述的绝缘层厚度为600-700nm；

所述的空穴注入层厚度为3-5nm；

所述的电子注入层厚度为3-5nm；

所述的源极和漏极厚度为30-50nm；

所述的栅极厚度为10-16nm；

所述的源极和漏极为叉指状；所述的栅极为片状。

3.权利要求1-2任意所述的一种基于聚F8BT晶体的发光场效应管结构的制备方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1.将透明玻璃基底依次置于洗洁精、去离子水、甲醇、异丙醇中超声清洗，然后干燥；

步骤2.将掩膜版放置在步骤1得到的透明玻璃基底上，所使用的掩膜版上的图案为梳齿状，镂空条纹的宽度即为源极和漏极的宽度相同，镂空条纹的一端不连通，另一端相连通，连通端向外延展，使连通端的的长度长于最外端的两个梳齿之间的距离，相连通端用于连接各个电极；调整掩膜版的位置，使镂空条纹位于透明玻璃基底的一端；将固定在一起的掩膜版和透明玻璃基底置于蒸发镀膜机中，以0.3-0.5nm/s的速度在透明玻璃基底上沉积厚度为30-50nm铝，作为源极；然后切换蒸发源以0.1-0.3nm/s的速度在源极上沉积厚度为3-5nm氧化锌，作为电子注入层；

步骤3.以掩膜版的连通端向外延展部分的边缘为对称轴，将掩膜版对称翻转180°后再置于透明玻璃基底上，使镂空条纹位于透明玻璃基底的另一端，二者固定后置于蒸发镀膜机中，以0.3-0.5nm/s的速度在透明玻璃基底上沉积厚度为30-50nm金，作为漏极；然后切换蒸发源以0.1-0.3nm/s的速度在漏极上沉积厚度为3-5nm三氧化钼，作为空穴注入层；

步骤4.将掩膜版从步骤3得到的透明玻璃基底从上取出，然后将玻璃基底置于130-140℃的HMDS溶液中进行疏水化处理20-30分钟，然后在处理后的透明玻璃基底上水平放置一个圆柱形玻璃瓶，使圆柱形玻璃瓶的侧壁表面与透明玻璃基底相接触，且圆柱体位于两电极外侧，以便在两电极之间生长晶体；

步骤5.将F8BT溶于二甲苯和乙酸正丁酯的混合溶液中得到F8BT溶液，其中F8BT的浓度为10-15mg/ml，二甲苯和乙酸正丁酯比例为5:1-20:1；将F8BT溶液滴入玻璃瓶和透明玻璃基底之间的缝隙中，在温度为60-80℃条件下加热蒸干，去掉圆柱形玻璃瓶得到F8BT晶体；其中以获得厚度为70-90nm的发光层；

步骤6.将PMMA溶于乙酸正丁酯中，得到浓度为60-70mg/ml的PMMA溶液，在步骤5得到的F8BT晶体上用匀胶机以4000rpm-5000rpm的速度旋涂一层厚度为600-700nmPMMA透明薄膜，作为绝缘层；

步骤7.将旋涂完绝缘层的透明玻璃基底置于蒸发镀膜机中，在PMMA透明薄膜上以0.1-0.3nm/s的速度蒸镀厚度3-5nm金作为栅极。

4.根据权利要求3所述的一种基于聚F8BT晶体的发光场效应管结构的制备方法，其特征在于，所述的掩膜版，两镂空条纹之间的未镂空处的宽度为60um，镂空条纹长度为3mm。

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