一種有機半導體材料的場效應電晶體及製備方法
2023-05-15 10:29:11 1
專利名稱：一種有機半導體材料的場效應電晶體及製備方法
技術領域：
本發明屬於場效應電晶體，涉及一種有機半導體材料的場效應電晶體，具體地說，涉及一種新型芘氧自由基在有機場效應電晶體中的應用。
背景技術：
自從Tsumura et al.(Tsumura，A.；Koezuka，H.；Ando，T.Appl.Phys.Lett.1986，49，1210)關於有機場效應電晶體(OFETs)的報導以來，有機場效應電晶體作為未來有機電子器件關鍵元件，由於其在有源矩陣顯示，有機集成電路，電子商標等方面的潛在應用價值得到了人們的廣泛關注。與無機電晶體相比，OFETs具有低成本，重量輕，柔韌性好等特點。近年來，OFETs取得了長足的發展。其中並五苯的場效應遷移率已經超過1.5 cm2V-1s-1(Nelson，S.F.；Lin，Y.Y.；Gundlach，D.J.； Jackson，T.N.Appl.Phys.Lett.1998，72，1854)，已經可以和無定形矽相媲美。儘管如此，人們希望製備更高性能的OFETs。人們採用兩種方法來提高OFETs的載流子遷移率，開關比和閾值電壓新的OFETs製備方法的研究和新的有機半導體材料的研究。尤其是新的有機半導體的合成和設計極大的促進了OFETs的發展。人們已經合成了包括取代的並五苯(1Meng，H.；Bendikov，M.；Mitchell，G.；Helgeson，R.；Wudl，F.；Bao，Z.；Siegrist，T.；Kloc C.；Chen，C.H.；Adv.Mater.2003，15，1090.2Sakamoto，Y.；Suzuki，T.；Kobayashi，M.；Gao，Y.；Fukai，Y.；Inoue，Y.；Sato F.；Tokito，S.J.Am.Chem.Soc.2004，126，8138.)、取代的咔唑類化合物(Li，Y.；Wu，Y.；Gardner S.；Ong，B.S.Adv.Mater.2005，17，849.)、蒽的寡聚物(Ito，K.；Suzuki，T.；Sakamoto，Y.；Kubota，D.；Inoue，Y.；Sato F.；Tokito，S.Angew.Chem.，Int.Ed.2003，42，1159.)和芘的衍生物(Zhang，H.；Wang，Y.；Shao，K.；Liu，Y.；Chen，S.；Qiu，W.；Sun，X.；Qi，T.；Ma，Y.；Yu，G.；Su Z.；Zhu，D.Chem.Commun.2005，755)等多種分子體系。
有機自由基分子通常是順磁性的，擁有一個或多個未成對的電子。由於其在分子電子器件方面的潛在應用人們展開了大量的研究。人們推測有機自由基(例如1，2，3，4，5-五苯基茂基自由基)適用於有機薄膜器件(1Lamansky S.；Thompson，M.E.Chem.Mater.2002，14，109.2André，J.-J.；Brinkmann，M.Synth.Met.1997，90，211.)。Noro等採用過渡金屬與有機自由基的配合物成功製得了金屬有機薄膜場效應電晶體(Nor，S.-I.；Chang，H.-C.；Takenobu，T.；Murayama，Y.；Kanbara，T.；Aoyama，T.；Sassa，T.；Wada，T.；Tanaka D.；Kitagawa，S.；Iwasa，Y.；Akutagawa T.；Nakamura，T.J.Am.Chem.Soc.2005，127，10012.)。因此，有機自由基是一類新型的OFETs半導體材料。然而，用於OFETs半導體材料的有機自由基材料還非常少。
發明內容
為了提高有機場效應電晶體的載流子遷移率，開關比和閾值電壓，本發明的目的是在於提供一類應用有機自由基材料作為半導體材料、可以在低電壓下操作、顯示出良好的場效應性能的有機場效應電晶體及其製備方法。
本發明的第一方面，一種採用有機半導體材料的場效應電晶體，採用上電極結構包括襯底，在襯底上嵌入電極引線；柵極，該柵極製作在襯底的一面，與電極引線導通；絕緣層，該絕緣層製作在柵極的另一面；有機芘氧自由基半導體層，該有機芘氧自由基半導體層製作在絕緣層的另一面；源電極和漏電極，源電極和漏電極製作在有機芘氧自由基半導體層的另一面。
本發明採用的下電極結構包括襯底，在襯底上嵌入電極引線；柵極，該柵極製作在襯底的一面，與電極引線導通；絕緣層，該絕緣層製作在柵極的另一面；源電極和漏電極，源電極和漏電極製作在絕緣層的另一面；有機芘氧自由基半導體層，該有機芘氧自由基半導體層製作在源電極和漏電極的上。
所述有機芘氧自由基半導體層為2-芘基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-1-氧基自由基。
本發明的第二方面，一種有機半導體材料的場效應電晶體的製備方法，包括以下步驟步驟S1，柵極金屬的沉積及圖案化用無水乙醇、丙酮超聲清洗、去離子水超聲清洗的襯底，經氮氣吹乾或烘箱烘乾，之後勻膠、曝光、顯影、蒸鍍至少一層金屬、剝離，得到圖案化的柵極電極；步驟S2，絕緣層的沉積將柵極圖案化後的襯底採用絕緣層成膜方式沉積至少一層絕緣層；步驟S3，有機芘氧自由基半導體材料的沉積採用有機物成膜方法在絕緣層上沉積厚度為50～150納米的有機芘氧自由基半導體層；步驟S4，源電極和漏電極的沉積及其圖案化在有機芘氧自由基半導體層上，經過勻膠、曝光、顯影之後，蒸鍍至少一層金屬、剝離，得到圖案化的源電極和漏電極。
所述步驟S3有機芘氧自由基半導體材料的沉積和步驟S4源電極和漏電極的沉積及其圖案化，通過改變步驟S3和步驟S4兩者的步驟的順序分別製成上電極結構或下電極結構的場效應電晶體。
所述柵極，源電極和漏電極的厚度分別為30～300納米。
其所述源電極和漏電極間溝道的長和寬分別為0.3～500微米。
本發明有以下特點和優點1、本發明製備的有機場效應電晶體是以2-芘基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-1-氧基自由基為有機半導體材料。
2、本發明製備的有機場效應電晶體可以在低電壓下操作，顯示出優良的場效應性能(遷移率高達0.1cm2Vs，開關比大於104，閾值電壓為-0.6V，亞閾值斜率為0.54V/decade)。
3、本發明所用的2-芘基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-1-氧基自由基，製備工藝簡單，成本低廉。
本發明的有機場效應電晶體能使用於有源驅動，低端集成電路，傳感器等領域。
圖1為本發明上電極結構的有機場效應電晶體圖2為本發明下電極結構的有機場效應電晶體圖3為本發明有機場效應電晶體溝道示意4為本發明有機場效應電晶體的有機材料分子式圖5為本發明有機場效應電晶體基於2-芘基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-1-氧基自由基在二氧化矽襯底上沉積後製備的OFETs的輸出曲線圖6為本發明有機場效應電晶體基於2-芘基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-1-氧基自由基在二氧化矽襯底上沉積後製備的OFETs的轉移曲線7為本發明有機場效應電晶體OFETs基於2-芘基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-1-氧基自由基在十八烷基三氯矽烷修飾的二氧化矽襯底上沉積後製備的有機場效應電晶體OFETs的輸出曲線圖8為本發明有機場效應電晶體OFETs基於2-芘基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-1-氧基自由基在十八烷基三氯矽烷修飾的二氧化矽襯底上沉積後製備的有機場效應電晶體OFETs的轉移曲線圖具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明，但本發明並不限於此例。
本發明提出的有機場效應電晶體，由半導體層1，絕緣層2，柵極3，襯底4，有機源電極5和漏電極6組成。
本發明中的有機場效應電晶體結構有兩種情況(1)根據本發明圖1上電極結構的有機場效應電晶體所示上電極結構從下往上依次為襯底4，柵極3，絕緣層2，有機半導體層1，源電極5和漏電極6。
(2)根據本發明圖2下電極結構的有機場效應電晶體所示下電極結構從下往上依次為襯底4，柵極3，絕緣層2，源電極5和漏電極6，有機半導體層1。
其中有機半導體層1材料為有機芘氧自由基。
本發明所述的有機場效應電晶體，其所述絕緣層2材料具有良好的介電性能，包括無機絕緣材料(例如二氧化矽和氮化矽等)和有機絕緣材料(例如聚甲基丙烯酸甲酯和聚乙烯醇等)，製備方法可以是等離子體增強的化學氣相沉積、熱氧化、甩膜或真空蒸鍍等。
襯底4是由玻璃、陶瓷、聚合物、矽片其中之一製成。
本發明所述的有機場效應電晶體，其所述柵極3，源電極5和漏電極6，是由具有低電阻的材料構成，包括金、銀、鋁、銅等各種金屬及合金材料以及金屬氧化物(如氧化銦錫)導電材料，也可以採用矽作為柵極3，源電極5和漏電極6的導電材料，沉積方法可以是真空熱蒸鍍、磁控濺射、等離子體增強的化學氣相沉積等各種沉積方法。
所述有機芘氧自由基半導體層1採用2-芘基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-1-氧基自由基，按如下步驟合成將3-甲級-2，3-二羥胺基丁烷溶於無水甲醇中，加入1-醛基芘，加熱回流，醛不溶，再加入苯和甲酸三乙酯，使其溶解，回流12個小時，將溶液旋幹，乾燥得黃色粉末；用甲醇溶解後，加入氧化鉛，室溫下攪拌3個小時，反覆過濾，將有機相旋幹，依次以二氯甲烷，乙酸乙酯為洗脫劑進行柱層析，收集藍帶，旋幹，二氯甲烷/石油醚重結晶，得到紫色微晶；將紫色微晶溶於二氯甲烷中，加入NaNO2和冰醋酸，在40℃下攪拌回流50分鐘後，顏色有藍色變棕紅色，接近透明，加入NaHCO3飽和溶液，繼續攪拌2分鐘，分液，有機相用水洗滌三次，無水MgSO4乾燥，過濾，旋幹得橙紅色粉末，樣品溶於二氯甲烷，以乙酸乙酯/二氯甲烷為洗脫劑進行柱層分離，收集紅色帶，旋幹，用於二氯甲烷/正己烷，重結晶的紅色晶體。
所述的有機場效應電晶體的製備方法，其所述柵極3，源電極5和漏電極6的厚度分別為30納米～300納米，它們的厚度根據需要可以在30納米～300納米範圍選擇。
所述的有機場效應電晶體的製備方法，根據本發明圖3有機場效應電晶體溝道示意圖，其所述源電極5和漏電極6間溝道的長度分別為0.3微米～500微米，它們的厚度根據需要可以在0.3微米～500微米範圍選擇。
所述的有機場效應電晶體的製備方法，其所述有機物成膜方法，為真空蒸鍍、甩膜、滴膜、印刷；有機物為聚合物時，採用甩膜、滴膜、印刷；為小分子時真空蒸鍍、甩膜、滴膜、印刷。
實施例1圖4為本發明場效應電晶體的有機半導體層1材料的分子式；本發明的場效應電晶體上電極結構依次包括襯底4、柵極3、絕緣層2、有機半導層1、源電極5和漏電極6。
絕緣層2可為無機絕緣層和有機絕緣層，包括二氧化矽、氮化矽、聚乙烯醇，有機小分子修飾層等。
其中襯底4可由以下材料製成玻璃、陶瓷、聚合物、矽襯底其中之一製成。
源電極5，漏電極6和柵極3可由金、銀、鋁、銅、鎂等各種金屬及合金材料以及氧化物(如氧化銦錫)等導電材料，也可以採用矽作為柵極3，源電極5和漏電極6的導電材料。
本發明中使用的有機半導體層1採用2-芘基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-1-氧基自由基按前述步驟製備。將2-芘基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-1-氧基自由基採用真空蒸鍍的方法沉積到熱生長一層二氧化矽(450nm)的矽襯底上沉積後製備有機場效應電晶體，其製備方法，依如下步驟進行第一步，將作為襯底4和柵極3的矽片用洗滌劑、自來水、去離子水、丙酮、無水乙醇清洗，然後置於烘箱中烘乾。
第二步，在矽襯底4上熱氧化生長一層二氧化矽(約450納米)作為絕緣層2。
第三步，將生長了二氧化矽的襯底4置於真空腔內，在4×10-4Pa的真空條件下，採用真空蒸鍍的方法，將有機半導體材料2-芘基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-1-氧基自由基以1/s的速度在二氧化矽襯底的表面沉積50nm，形成有機芘氧基自由基半導體層1。
第四步，如圖3本發明有機場效應電晶體溝道示意圖所示通過掩膜的方式在高真空下將金蒸鍍到有機半導體上形成源電極5和漏電極6。限定所述源電極5和漏電極6間溝道長8為50微米，溝道寬7為3000微米。
第五步，將得到有機場效應電晶體在室溫下、大氣環境下利用HP4140B半導體測試儀和MP1008探針臺，在源漏電壓為0-80V的範圍內掃描，從而得出器件的輸出性能。基於2-芘基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-1-氧基自由基的有機場效應電晶體的遷移率，開關比和閾值電壓分別為為0.1cm2V-1s-1，5×104和-0.6V。
參見圖5為本發明有機場效應電晶體基於2-芘基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-1-氧基自由基在二氧化矽襯底上沉積後製備有機場效應電晶體的輸出曲線圖6為本發明有機場效應電晶體基於2-芘基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-1-氧基自由基在二氧化矽襯底上沉積後制的備有機場效應電晶體轉移曲線圖實施例2本發明中以2-芘基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-1-氧基自由基為有機半導體材料再熱生長一層二氧化矽(450nm)的矽襯底4上沉積後製備有機場效應電晶體，其製備方法依照實施例1，唯一不同的是在沉積2-芘基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-1-氧基自由基前，將熱生長二氧化矽的矽襯底4在真空下採用氣相法用十八烷基三氯矽烷對二氧化矽表面進行修飾。基於2-芘基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-1-氧基自由基的遷移率，開關比和閾值電壓分別為1.0×10-3cm2V-1s-1，103和0V。
本實施例如圖7為本發明有機場效應電晶體基於2-芘基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-1-氧基自由基在十八烷基三氯矽烷修飾的二氧化矽襯底上沉積後製備的有機場效應電晶體的輸出曲線本實施例如圖8為本發明有機場效應電晶體基於2-芘基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-1-氧基自由基在十八烷基三氯矽烷修飾的二氧化矽襯底上沉積後製備的有機場效應電晶體的轉移曲線圖。
權利要求
1.一種有機半導體材料的場效應電晶體，其特徵在於，採用上電極結構包括襯底，在襯底上嵌入電極引線；柵極，該柵極製作在襯底的一面，與電極引線導通；絕緣層，該絕緣層製作在柵極的另一面；有機芘氧自由基半導體層，該有機芘氧自由基半導體層製作在絕緣層的另一面；源電極和漏電極，源電極和漏電極製作在有機芘氧自由基半導體層的另一面。
2.根據權利要求1所述有機半導體材料的場效應電晶體，其特徵在於，採用下電極結構包括襯底，在襯底上嵌入電極引線；柵極，該柵極製作在襯底的一面，與電極引線導通；絕緣層，該絕緣層製作在柵極的另一面；源電極和漏電極，源電極和漏電極製作在絕緣層的另一面；有機芘氧自由基半導體層，該有機芘氧自由基半導體層製作在源電極和漏電極上。
3.根據權利要求1所述有機半導體材料的場效應電晶體，其特徵在於，所述有機芘氧自由基半導體層為2-芘基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-1-氧基自由基。
4.一種有機半導體材料的場效應電晶體的製備方法，其特徵在於包括以下步驟步驟S1，柵極金屬的沉積及圖案化用無水乙醇、丙酮超聲清洗、去離子水超聲清洗的襯底，經氮氣吹乾或烘箱烘乾，之後勻膠、曝光、顯影、蒸鍍至少一層金屬、剝離，得到圖案化的柵極電極；步驟S2，絕緣層的沉積將柵極圖案化後的襯底採用絕緣層成膜方式沉積至少一層絕緣層；步驟S3，有機芘氧自由基半導體材料的沉積採用有機物成膜方法在絕緣層上沉積厚度為50～150納米的有機芘氧自由基半導體層；步驟S4，源電極和漏電極的沉積及其圖案化在有機芘氧自由基半導體層上，經過勻膠、曝光、顯影之後，蒸鍍至少一層金屬、剝離，得到圖案化的源電極和漏電極。
5.根據權利要求4所述有機半導體材料的場效應電晶體的製備方法，其特徵在於所述步驟S3有機芘氧自由基半導體材料的沉積和步驟S4源電極和漏電極的沉積及其圖案化，通過改變步驟S3和步驟S4兩者的步驟的順序分別製成上電極結構或下電極結構的場效應電晶體。
6.根據權利要求4所述有機半導體材料的場效應電晶體的製備方法，其特徵在於所述柵極，源電極和漏電極的厚度分別為30～300納米。
7.根據權利要求4所述有機半導體材料的場效應電晶體的製備方法，其特徵在於其所述源電極和漏電極間溝道的長和寬分別為0.3～500微米。
全文摘要
本發明公開一種有機芘氧自由基半導體材料的場效應電晶體和製備方法，其結構包括襯底，柵極，絕緣層，有機芘氧自由基半導體層，源電極和漏電極；其方法包括柵極金屬的沉積及圖案化；絕緣層的沉積；有機芘氧自由基半導體材料的沉積；源電極和漏電極的沉積及其圖案化。本發明製備的有機場效應電晶體是以2－芘基－4，4，5，5－四甲基咪唑啉－1－氧基自由基為有機半導體材料，製備工藝簡單，成本低廉。在低電壓下操作，顯示出優良的場效應性能，遷移率高達0.1cm
文檔編號H01L51/30GK101093875SQ20061008934
公開日2007年12月26日 申請日期2006年6月21日 優先權日2006年6月21日
發明者劉雲圻, 王鷹, 張德清, 王紅梅, 狄重安, 吳衛平, 孫豔明, 於貴, 朱道本 申請人:中國科學院化學研究所