CN111490161A - 一种有机薄场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有机场效应晶体管及其制备方法,所述晶体管为底栅顶接触式或底栅底接触式，包括衬底，栅电极，栅极绝缘层，有机半导体层，源电极和漏电极，所述有机半导体层和源电极、漏电极之间设置有超薄虾青素复合修饰层。本发明通过在有机半导体层和源漏电极之间加入一层超薄虾青素复合修饰层，通过利用虾青素极强的抗氧化性，吸引自由基未配对电子或向自由基提供电子，从而清除自由基起抗氧化作用，减少了界面的缺陷态密度，使得空气中制备的半导体器件的电学性能得到了显著的提升，同时提高了有机场效应晶体管的空气稳定性。
Description
技术领域
本发明属于电子元器件技术领域，具体涉及一种有机场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
作为大规模集成电路的重要组成部分，场效应晶体管从面世以来一直是光电子和电子技术领域的主流研究方向，场效应晶体管目前主要分为两类，有机场效应晶体管和无机场效应晶体管，与无机场效应晶体管相比，有机场效应晶体管主要有以下优势：成膜技术多种多样、材料易于设计、卷对卷工艺制备、可进行大面积柔性加工等等。
目前，有机场效应晶体管的溶液法制备主要是在隔绝空气的手套箱中，这主要是由于空气中的氧气分子极易附着在界面处，作为缺陷态陷阱，极大地限制了电荷的传输，增大了界面势磊，降低了晶体管的器件性能，尤其是对以电子为主要载流子的n型场效应晶体管器件。同时，空气中的水氧对未封装的器件也有着极大的侵蚀作用，会显著的降低器件的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于：本发明提供一种有机场效应晶体管及其制备方法，通过利用虾青素极强的抗氧化性，吸引自由基未配对电子或向自由基提供电子，从而清除自由基起抗氧化作用，减少了界面的缺陷态密度，使得空气中制备的半导体器件的电学性能得到了显著的提升，同时提高了有机场效应晶体管的空气稳定性。
本发明采用的技术方案如下：
一种有机薄场效应晶体管，所述晶体管为底栅顶接触式或底栅底接触式，包括衬底，栅电极，栅极绝缘层，有机半导体层，源电极和漏电极，所述有机半导体层和源电极、漏电极之间设置有超薄虾青素复合修饰层。
本发明通过在有机半导体层和源漏电极之间加入一层超薄虾青素复合修饰层，通过利用虾青素极强的抗氧化性，吸引自由基未配对电子或向自由基提供电子，从而清除自由基起抗氧化作用，减少了界面的缺陷态密度，此方法使得空气中制备的半导体器件的电学性能得到了显著的提升，同时提高了有机场效应晶体管的空气稳定性。
优选地，所述超薄虾青素复合修饰层由质量分数为70-90％的虾青素和质量分数为10-30％的虫胶混合制备而成。
优选地，所述超薄虾青素复合修饰层的厚度为1-5nm。
优选地，所述栅极绝缘层由有机聚合物绝缘材料或无机绝缘材料制备而成；所述有机聚合物绝缘材料包括聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯醇(PVA)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚酰亚胺(PI)的一种或多种，所述无机绝缘材料包括二氧化硅(SiO2)、三氧化二铝(Al2O3)、氧化钛(Ti2O3)的一种或多种；所述栅极绝缘层厚度为100～600nm。
优选地，所述有机半导体材料包括聚3-己基噻吩(P3HT)、Tips-并五苯(Tips-pentacene)与PTCDI-e的一种或多种可溶性有机半导体材料，厚度为30～300nm。
优选地，所述栅电极、源电极和漏电极均为金属或者导电薄膜；源电极和漏电极厚度均为10～300nm，所述金属包括金、银和铜的一种或多种，所述导电薄膜包括氧化铟锡或氧化锌。
一种有机薄场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：
S1:先利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行彻底的清洗，清洗后干燥；在衬底的表面制备栅电极，形成栅电极的图形；
S2:在镀有栅电极的基板的上制备栅极绝缘层；
S3:在己覆盖栅极绝缘层的基板上制备有机半导体层，70℃热退火20分钟；
S4:在有机半导体层上制备超薄虾青素复合修饰层；
S5:制备源电机和漏电极。
优选地，所述栅电极、源电极、漏电极是通过真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印或旋涂中的任意一种方法制备的。
优选地，所述步骤S3中，栅极绝缘层是通过等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂和真空蒸镀中的任意一种方法制备。
优选地，步骤S4中，所述有机半导体层是通过等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂、真空蒸镀、辊涂、滴膜、压印、印刷和气喷中的任意一种方法制备。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
(1)在有机半导体层和源漏电极之间引入超薄虾青素复合修饰层，超薄虾青素复合修饰层由虾青素和虫胶组成，利用虾青素极强的抗氧化性，吸引自由基未配对电子或向自由基提供电子，从而清除自由基起抗氧化作用，减少了界面的缺陷态密度，降低界面势磊，提高器件的电学特性；
(2)超薄虾青素复合修饰层中的虾青素和虫胶，可以有效的抵挡空气中水氧的侵蚀，显著的提升器件的空气寿命；
(3)超薄的虾青素复合层，由于厚度只有1-5nm，电荷完全可以通过量子隧穿效应穿过超薄层，不会起到阻碍电荷的作用。
附图说明
图1是本发明所涉及的一种有机场效应晶体管结构。
图中标记为：1-衬底，2-栅电极，3-栅极绝缘层，4-有机半导体层，5-超薄虾青素复合层，6-源电极，7-漏电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1所示，一种有机薄场效应晶体管，所述晶体管为底栅顶接触式或底栅底接触式，包括衬底，栅电极，栅极绝缘层，有机半导体层，源电极和漏电极，所述有机半导体层和源电极、漏电极之间设置有超薄虾青素复合修饰层。
其制备方法如下：
S1:对硅为栅电极的衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
S2:在衬底的表面制备栅电极，形成栅电极的图形；
S3:采用热氧化或者气相沉积的方法生成一层100nm SiO2作为栅极绝缘层；
S4:在栅极绝缘层上旋涂TIPS-pentacene，有机半导体层厚度为25nm；
S5:在有机半导体层上旋涂超薄虾青素复合修饰层(质量分数虾青素70％，虫胶30％)，厚度为1nm；
S6:采用真空蒸镀制备金源电极和漏电极60nm。
对器件进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝5μA，载流子迁移率μ＝0.05×10- 3cm2/Vs，阈值电压VTH＝-6V。
实施例2
如图1所示，一种有机薄场效应晶体管，所述晶体管为底栅顶接触式或底栅底接触式，包括衬底，栅电极，栅极绝缘层，有机半导体层，源电极和漏电极，所述有机半导体层和源电极、漏电极之间设置有超薄虾青素复合修饰层。
其制备方法如下：
S1:先利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行彻底的清洗，清洗后干燥；
S2:对溅射好栅电极ITO的玻璃衬底1进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
S3:采用旋涂法在ITO上制备PVA薄膜形成栅极绝缘层20nm；
S4:在栅极绝缘层上旋涂TIPS-pentacene，有机半导体层厚度为25nm；
S5:在有机半导体层上旋涂超薄虾青素复合修饰层(质量分数虾青素70％，虫胶30％)，厚度为2nm；
S6:采用真空蒸镀制备金源电极和漏电极60nm。
对器件进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝15μA，载流子迁移率μ＝0.15×10- 3cm2/Vs，阈值电压VTH＝-7V。
实施例3
如图1所示，一种有机薄场效应晶体管，所述晶体管为底栅顶接触式或底栅底接触式，包括衬底，栅电极，栅极绝缘层，有机半导体层，源电极和漏电极，所述有机半导体层和源电极、漏电极之间设置有超薄虾青素复合修饰层。
其制备方法如下：
S1:先利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行彻底的清洗，清洗后干燥；
S2:对溅射好栅电极ITO的玻璃衬底1进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
S3:采用旋涂法在ITO上制备PVA薄膜形成栅极绝缘层20nm；
S4:在栅极绝缘层上旋涂TIPS-pentacene，有机半导体层厚度为25nm；
S5:在有机半导体层上旋涂超薄虾青素复合修饰层(质量分数虾青素70％，虫胶30％)，厚度为2nm；
S6:采用真空蒸镀制备金源电极和漏电极60nm。
对器件进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝18μA，载流子迁移率μ＝0.19×10- 3cm2/Vs，阈值电压VTH＝-3V。
实施例4
如图1所示，一种有机薄场效应晶体管，所述晶体管为底栅顶接触式或底栅底接触式，包括衬底，栅电极，栅极绝缘层，有机半导体层，源电极和漏电极，所述有机半导体层和源电极、漏电极之间设置有超薄虾青素复合修饰层。
其制备方法如下：
S1:先利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行彻底的清洗，清洗后干燥；
S2:对溅射好栅电极ITO的玻璃衬底1进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
S3:采用旋涂法在ITO上制备PMMA薄膜形成栅极绝缘层600nm；
S4:在栅极绝缘层上旋涂TIPS-pentacene，有机半导体层厚度为300nm；
S5:在有机半导体层上旋涂超薄虾青素复合修饰层(质量分数虾青素70％，虫胶30％)，厚度为5nm；
S6:采用真空蒸镀制备金源电极和漏电极60nm。
对器件进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝12μA，载流子迁移率μ＝0.11×10- 3cm2/Vs，阈值电压VTH＝-6V。
实施例5
如图1所示，一种有机薄场效应晶体管，所述晶体管为底栅顶接触式或底栅底接触式，包括衬底，栅电极，栅极绝缘层，有机半导体层，源电极和漏电极，所述有机半导体层和源电极、漏电极之间设置有超薄虾青素复合修饰层。
其制备方法如下：
S1:先利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行彻底的清洗，清洗后干燥；
S2:对溅射好栅电极ITO的玻璃衬底1进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
S3:采用旋涂法在ITO上制备PMMA薄膜形成栅极绝缘层100nm；
S4:在栅极绝缘层上旋涂TIPS-pentacene，有机半导体层厚度为25nm；
S5:在有机半导体层上旋涂超薄虾青素复合修饰层(质量分数虾青素70％，虫胶30％)，厚度为2nm；
S6:采用真空蒸镀制备金源电极和漏电极60nm。
对器件进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝15μA，载流子迁移率μ＝0.17×10- 3cm2/Vs，阈值电压VTH＝-6V。
实施例6
如图1所示，一种有机薄场效应晶体管，所述晶体管为底栅顶接触式或底栅底接触式，包括衬底，栅电极，栅极绝缘层，有机半导体层，源电极和漏电极，所述有机半导体层和源电极、漏电极之间设置有超薄虾青素复合修饰层。
其制备方法如下：
S1:先利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行彻底的清洗，清洗后干燥；
S2:对溅射好栅电极ITO的玻璃衬底1进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
S3:采用旋涂法在ITO上制备PVA薄膜形成栅极绝缘层600nm；
S4:在栅极绝缘层上旋涂PTCDI-e，有机半导体层厚度为100nm；
S5:在有机半导体层上旋涂超薄虾青素复合修饰层(质量分数虾青素70％，虫胶30％)，厚度为1nm；
S6:采用真空蒸镀制备金源电极和漏电极60nm。
对器件进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝32μA，载流子迁移率μ＝0.25×10- 3cm2/Vs，阈值电压VTH＝-4V。
实施例7
如图1所示，一种有机薄场效应晶体管，所述晶体管为底栅顶接触式或底栅底接触式，包括衬底，栅电极，栅极绝缘层，有机半导体层，源电极和漏电极，所述有机半导体层和源电极、漏电极之间设置有超薄虾青素复合修饰层。
其制备方法如下：
S1:先利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行彻底的清洗，清洗后干燥；
S2:对溅射好栅电极ITO的玻璃衬底1进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
S3:采用旋涂法在ITO上制备PVA薄膜形成栅极绝缘层600nm；
S4:在栅极绝缘层上旋涂PTCDI-e，有机半导体层厚度为100nm；
S5:在有机半导体层上旋涂超薄虾青素复合修饰层(质量分数虾青素70％，虫胶30％)，厚度为1nm；
S6:采用真空蒸镀制备金源电极和漏电极60nm。
对器件进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝18μA，载流子迁移率μ＝0.15×10- 3cm2/Vs，阈值电压VTH＝-8V。
表1：实施例1-7的检测数据表
| 实施例 | 饱和电流(μA) | 载流子迁移率10<sup>-3</sup>cm<sup>2</sup>/Vs | 阈值电压(V) |
| 实施例1 | 5 | 0.05 | -6 |
| 实施例2 | 15 | 0.15 | -7 |
| 实施例3 | 18 | 0.19 | -3 |
| 实施例4 | 12 | 0.11 | -6 |
| 实施例5 | 15 | 0.17 | -6 |
| 实施例6 | 32 | 0.25 | 4 |
| 实施例7 | 18 | 0.15 | 8 |
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种有机薄场效应晶体管，所述晶体管为底栅顶接触式或底栅底接触式，包括衬底，栅电极，栅极绝缘层，有机半导体层，源电极和漏电极，其特征在于，所述有机半导体层和源电极、漏电极之间设置有超薄虾青素复合修饰层。
2.根据权利要求1所述的一种有机薄场效应晶体管，其特征在于，所述超薄虾青素复合修饰层由质量分数为70-90％的虾青素和质量分数为10-30％的虫胶混合制备而成。
3.根据权利要求1所述的一种有机薄场效应晶体管，其特征在于，所述超薄虾青素复合修饰层的厚度为1-5nm。
4.根据权利要求1所述的一种有机薄场效应晶体管，其特征在于，所述栅极绝缘层由有机聚合物绝缘材料或无机绝缘材料制备而成；所述有机聚合物绝缘材料包括聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚偏二氟乙烯、聚酰亚胺的一种或多种，所述无机绝缘材料包括二氧化硅、三氧化二铝、氧化钛的一种或多种；所述栅极绝缘层厚度为100～600nm。
5.根据权利要求1所述的一种有机薄场效应晶体管，其特征在于，所述有机半导体材料包括聚3-己基噻吩、Tips-并五苯与PTCDI-e的一种或多种可溶性有机半导体材料，厚度为30～300nm。
6.根据权利要求1所述的一种有机薄场效应晶体管，其特征在于，所述栅电极、源电极和漏电极均为金属或者导电薄膜；源电极和漏电极厚度均为10～300nm，所述金属包括金、银和铜的一种或多种，所述导电薄膜包括氧化铟锡或氧化锌。
7.根据权利要求1-6任一项所述一种有机薄场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:先利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行彻底的清洗，清洗后干燥；
S2:在衬底的表面制备栅电极，形成栅电极的图形；
S3:在镀有栅电极的基板的上制备栅极绝缘层；
S4:在己覆盖栅极绝缘层的基板上制备有机半导体层，70℃热退火20分钟；
S5:在有机半导体层上制备超薄虾青素复合修饰层；
S6:制备源电机和漏电极。
8.根据权利要求7所述一种有机薄场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述栅电极、源电极、漏电极是通过真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印或旋涂中的任意一种方法制备的。
9.根据权利要求7所述一种有机薄场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，栅极绝缘层是通过等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂和真空蒸镀中的任意一种方法制备。
10.根据权利要求7所述一种有机薄场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述有机半导体层是通过等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂、真空蒸镀、辊涂、滴膜、压印、印刷和气喷中的任意一种方法制备。
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| CN202010336223.0A CN111490161A (zh) | 2020-04-24 | 2020-04-24 | 一种有机薄场效应晶体管及其制备方法 |
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