一種有機場效應電晶體及其製備方法

2023-05-10 18:52:31 1

專利名稱：：一種有機場效應電晶體及其製備方法
技術領域：
：本發明涉及一種有機場效應電晶體及其製備方法，特別涉及一種銅為源漏電極的高性能低成本有機場效應電晶體及其製備方法。
背景技術：
：有機場效應電晶體(organicfieldeffecttransistors(OFETs))是通過調節柵極電壓來控制源漏極之間電流大小的一種有源器件，整個電晶體由襯底1上的柵極電極2、絕緣層3、有機半導體層4、源電極5和漏電極6構成，其結構按源漏電極位置不同可分為上電極結構和下電極結構，其結構示意圖分別如圖1A和圖1B所示，在上電極結構中，源電極5和漏電極6設於有機半導體層4上，與絕緣層3不連接(圖1A);而在下電極結構中，源電極5和漏電極6與有機半導體層4和絕緣層3均連接(圖1B)。有機半導體層由於比較軟，所以其結構與無機FET有所不同，有機場效應電晶體採用倒置型結構，即在電晶體的柵極上構築整個器件。當在柵極上施加電壓後，有機半導體和絕緣層界面之間會形成一楔形的導電溝道，隨著電壓的增大，導電溝道就逐漸向源、漏極靠近，最後與之導通，這時就形成了電流，電晶體也就處於開(on)的狀態。當柵極電壓為零時，源、漏極之間的電流很小，電晶體處於關(off)的狀態。而決定OFET性能的兩個關鍵指標是載流子的遷移率(p)和開關比(I。n/I。ff)。遷移率是指在單位電場下，載流子在單位時間內漂移的距離。開關比異指在一定的柵極電壓下，電晶體處於開的狀態和關的狀態下電流之比。這兩項決定了場效應電晶體性能的優劣。自從上世紀80年代發明有機場效應電晶體以來(Tsumura,A.;Koezuka,H.;Ando，T.Appl.Phys.Lett.1986,49,1210)，有機場效應電晶體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。與無機器件相比，有機光電器件具有低成本、重量輕、柔韌性好等獨特優勢。近年來，隨著人們研究的廣泛深入研究，有機場效應電晶體在材料設計、器件製備與結構、新應用探索和實用化工藝等諸多方面都取得了長足的發展。多種有機材料的有機場效應電晶體遷移率超過0.1cm2V_1s_1(1:Nelson,S.F.;Lin,Y.Y.;Gundlach,D.J.;Jackson，T.N.Appl.Phys.Lett1998,72，1854.2:Meng，H.;Sun,F.;Goldfinger，M.B.;Gao,F.;Londono，D.J.;Marshal,W.J.;Blackman,G.S.;Dobbs,K.D.;Keys,D.E.J.Am.Soc.Chem.2006，128,9304.3:Ong,B.S.,Wu,Y.L.，Liu,P.,Gardner,S.Adv.Mater.2005,17，1141.)，已經可以和無定形矽相媲美。儘管如此，有機場效應電晶體遠不能實用化，這是由於器件的穩定性和成本仍不能滿足應用需要。金電極是最為廣泛使用的源漏電極，這是由於金具有優異的穩定性、導電性和較高的功函。對於P型有機半導體而言，高的功函可以保證電極與有機半導體的能級匹配，從而具備高的載流子注入效率。但是，金價格昂貴，不利於有機場效應電晶體的成本降低。優異的有機場效應電晶體電極需要滿足以下條件較高的穩定性、優異的導電性能和與半導體相匹配的能級。有機導電聚合物可以作為電極，但是其較差的導電性和較差的穩定性限制了其應用。
發明內容本發明的目的是具有高新能、低成本的有機場效應電晶體及其製備方法。本發明所提供的有機場效應電晶體，包括襯底，和設於襯底上的柵極電極、絕緣層、有機半導體層、源電極和漏電極，其中，有機場效應電晶體為上電極結構，源電極和漏電極均為銅。其中，銅的厚度為10300納米。襯底選自玻璃、陶瓷、聚合物或矽片；柵極電極由具有低電阻的材料構成，包括金屬、合金材料和金屬氧化物導電材料，金屬包括金、銀、鋁、銅，金屬氧化物導電材料包括氧化銦錫；絕緣層包括二氧化矽、氮化矽和有機絕緣材料；有機半導體層是具有場效應性能的有機材料，包括有機小分子材料、高分子聚合物材料或它們混合物，如並五苯、並四苯、酞菁銅和酞菁氧釩等。該有機場效應電晶體的製備方法，先在襯底上順序沉積柵極電極、絕緣層和有機半導體層，然後，在有機半導體層上採用真空熱蒸鍍的方法沉積金屬銅層，作為源電極和漏電極，得到所述有機場效應電晶體。本發明以低功函、低成本的銅為電晶體的源漏電極，得到具有良好性能的上電極結構的有機場效應電晶體，很大程度上降低了有機場效應電晶體的成本，並且工藝簡單，成本低廉；本發明上電極結構的有機場效應電晶體具有和金為源漏電極的電晶體相當的高性能，同時，由於銅在無機工藝廣泛應用性，使得本發明有機場效應電晶體具有更好的無機工藝兼容性，應用範圍更加廣泛。圖IA和圖IB分別為上電極結構和下電極結構的場效應電晶體的結構示意圖；圖2為幾種有機半導體材料的分子式；圖3A為銅為源漏電極材料的上電極結構的場效應電晶體(並五苯為有機半導體材料)在不同柵極電壓下的輸出曲線；圖3B為金、銀、銅為源漏電極材料的上電極結構的場效應電晶體(並五苯為有機半導體材料)的轉移曲線；圖4A為以CuPc為有機半導體，銅為源漏電極的上電極結構的有機場效應電晶體性能隨時間的變化圖；圖4B為為以VOPc為有機半導體，銅為源漏電極的上電極結構的有機場效應電晶體性能隨時間的變化圖。具體實施方式如圖1A所示，本發明有機場效應電晶體為上電極結構，包括襯底l，以及設於襯底1上的柵極電極2、絕緣層3、有機半導體層4、源電極5和漏電極6，其源漏電極為銅電極。其中，襯底l可由以下材料製成玻璃、陶瓷、聚合物、矽片其中之一製成；柵極電極2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)導電材料構成；絕緣層3可為無機絕緣層和有機絕緣層，包括二氧化矽、氮化矽、聚乙烯醇等。源漏電極為銅電極；有機半導體層4由具有場效應性能的有機材料製成，包括有機小分子材料、高分子聚合物材料或它們混合物，如並五苯(pentacene)、並四苯(tetracene)、酞菁銅(CuPc)和酞菁氧釩(VOPc)等(結構式分別如圖2所示)，該有機半導體層4可為單層或雙層。在本發明有機場效應電晶體中，各種部件的厚度與尺寸沒有特殊要求，可按照目前通用的有機場效應電晶體的厚度與尺寸進行製作即可。該有機場效應電晶體先按常規方法在襯底上順序沉積柵極電極、絕緣層和有機半導體層，再製作銅源漏電極，即可得到。這些方法均可按照現有各種常用方法進行如沉積柵極電極，可採用真空熱蒸鍍、磁控濺射、等離子體增強的化學氣相沉積等；沉積絕緣層，可以是等離子體增強的化學氣相沉積、熱氧化、甩膜或真空蒸鍍等方法;沉積有機半導體層，成膜方式可以是真空蒸鍍、甩膜、滴膜、印刷等；沉積銅源漏電極，可採用真空熱蒸鍍等方法。具體的，包括以下步驟第一步，有機半導體層的沉積將沉積有柵極電極和絕緣層的襯底用去離子水、乙醇、丙酮超聲清洗後烘箱烘乾，然後經十八烷基氯矽烷(OTS)修飾，之後用正庚烷、乙醇、丙酮超聲清洗，然後採用有機物成膜方法得到厚度為5150納米的有機半導體層；第二步，源漏電極的沉積將製備好有機半導體層的電晶體上，在掩模版的掩模作用下，採用真空沉積方法得到銅源漏電極。以下以具體的實施例來說明本發明有機場效應電晶體的製備以及性能測試，但本發明並不局限於此。實施例1、源漏電極為銅、有機半導體層基於並五苯的有機場效應電晶體的製備第一步，絕緣層的清洗與界面修飾將沉積有柵極電極(高摻雜矽)和絕緣層(二氧化矽層)的襯底經去離子水、乙醇、丙酮各超聲清洗十分鐘後烘箱烘乾，將清洗後的襯底置於滴有十八烷基氯矽烷(OTS)的培養皿中，之後在lPa的真空度和393K下烘3小時，然後用正庚垸、乙醇、丙酮超聲清洗。第二步，有機半導體材料的沉積將清洗並修飾好襯底置於真空鍍膜機內，在真空度為4xl0,a的條件下以1A/s的速度蒸鍍並五苯，厚度為50納米。第三步，源漏電極的沉積與器件測試將沉積完並五苯半導體層的有機場效應電晶體置於真空鍍膜機內，在真空度為8xlO'4Pa的條件下以1.2A/s的速度蒸鍍銅電極，厚度為30納米，得到場效應電晶體。利用HP4140B半導體測試儀在大氣環境下室溫下對器件性能進行測試，基於該結構的電晶體遷移率為0.18cii^V—V、開關比為106，該性能與相同條件下以金作為電極的器件性能相當，該電晶體在不同柵極電壓下的輸出曲線如圖3A所示。實施例2、按照按實施例1的過程，以並四苯作為有機半導體，基於並四苯的場效應電晶體遷移率為0.041cm2v—V、開關比為106。採用同樣的方法，以金、銀、銅為源漏電極材料，二氧化矽為絕緣層，高摻雜矽作為柵極電極，以並五苯、並四苯為有機半導體材料，製備出上電極結構和下電極結構的有機場效應電晶體，其性能參數如表l;金、銀、銅為源漏電極材料的上電極結構的場效應電晶體(並五苯為有機半導體材料)的轉移曲線如圖3B所示。表1以二氧化矽為絕緣層的並五苯、並四苯有機場效應電晶體性能參數tableseeoriginaldocumentpage7從表1和圖3B的結果可以看出，對於上電極結構的器件，以銅為源漏電極，以二氧化矽為絕緣層的並五苯和並四苯場效應器件性能與同條件下製備的金電極器件性能相當，但是銅電極器件具備更低的成本。實施例3、第一步，絕緣層的製備將沉積有氧化銦錫(ITO)的導電玻璃襯底經去離子水、乙醇、丙酮各超聲清洗十分鐘後烘箱烘乾，之後以旋塗600納米的聚乙烯基苯酚有機絕緣層，再將塗有有機絕緣層的襯底置於烘箱中100度下烘10分鐘、200度烘1小時、60度退火10小時。第二步和第三步按照實施例1中的第二步和第三步進行，得到場效應電晶體。利用HP4140B半導體測試儀在大氣環境下室溫下對器件性能進行測試，基於該結構的電晶體遷移率為0.15cm^rV、開關比為105。實施例4:按實施例3的過程，以並四苯作為有機半導體，基於並四苯的場效應電晶體遷移率為0.052cm2v—V、開關比為106。採用同樣的方法，以金、銀、銅為源漏電極材料，聚乙烯基苯酚為絕緣層，氧化銦錫(ITO)作為柵極電極，以並五苯、並四苯為有機半導體材料，製備出上電極結構的有機場效應電晶體，其性能參數如表2。表2以有機聚合物為絕緣層的並五苯、並四苯的有機場效應電晶體性能參數tableseeoriginaldocumentpage8從表2的結果可以看出，以銅為源漏電極，以聚乙烯基苯酚為有機絕緣層的並五苯和並四苯場效應器件性能與同條件下製備的金電極器件性能相當，但是銅電極器件具備更低的成本。實施例5:按實施例1的製備方法，以酞菁銅(CuPc)作為有機半導體製備有機場效應電晶體。對器件的測試在器件於空氣中存放30小時後進行，基於CuPc的場效應遷移率為0.012cmVV1，開關比為105。圖4A為以CuPc為有機半導體，銅為源漏電極的上電極結構的有機場效應電晶體性能隨時間的變化圖。實施例6:按實施例1的製備方法，以酞菁氧釩(VOPc)作為有機半導體製備有機場效應電晶體。對器件的測試在器件於空氣中存放30小時後進行，基於VOPc的場效應遷移率為0.01cm2V—、—、開關比為105。圖4B為以VOPc為有機半導體，銅為源漏電極的上電極結構的有機場效應電晶體性能隨時間的變化圖。權利要求1、一種有機場效應電晶體，包括襯底，和設於襯底上的柵極電極、絕緣層、有機半導體層、源電極和漏電極，其特徵在於所述有機場效應電晶體為上電極結構，所述源電極和漏電極均為銅。2、根據權利要求1所述的有機場效應電晶體，其特徵在於所述銅的厚度為10300納米。3、根據權利要求1或2所述的有機場效應電晶體，其特徵在於所述襯底選自玻璃、陶瓷、聚合物或矽片。4、根據權利要求1或2所述的有機場效應電晶體，其特徵在於所述柵極電極由具有低電阻的材料構成，包括金屬、合金材料和金屬氧化物導電材料。5、根據權利要求4所述的有機場效應電晶體，其特徵在於所述金屬包括金、銀、鋁、銅；所述金屬氧化物導電材料包括氧化銦錫。6、根據權利要求1或2所述的有機場效應電晶體，其特徵在於所述絕緣層包括二氧化矽、氮化矽和有機絕緣材料。7、根據權利要求1或2所述的有機場效應電晶體，其特徵在於有機半導體層是具有場效應性能的有機材料，包括有機小分子材料、高分子聚合物材料或它們混合物及多層材料。8、根據權利要求7所述的有機場效應電晶體，其特徵在於所述有機半導體層為並五苯、並四苯、酞菁銅或酞菁氧釩。9、權利要求1所述有機場效應電晶體的製備方法，先在襯底上順序沉積柵極電極、絕緣層和有機半導體層，然後，在有機半導體層上採用真空熱蒸鍍的方法沉積金屬銅層，作為源電極和漏電極，得到所述有機場效應電晶體。10、根據權利要求9所述的製備方法，其特徵在於所述金屬銅層的厚度為10300納米。全文摘要本發明公開了有機場效應電晶體及其製備方法。本發明所提供的有機場效應電晶體，包括襯底，和設於襯底上的柵極電極、絕緣層、有機半導體層、源電極和漏電極，其中，有機場效應電晶體為上電極結構，源電極和漏電極均為銅。本發明以低功函、低成本的銅為電晶體的源漏電極，得到具有良好性能的上電極結構的有機場效應電晶體，很大程度上降低了有機場效應電晶體的成本，並且工藝簡單，成本低廉；本發明上電極結構的有機場效應電晶體具有和金為源漏電極的電晶體相當的高性能，同時，由於銅在無機工藝廣泛應用性，使得本發明有機場效應電晶體具有更好的無機工藝兼容性，應用範圍更加廣泛。文檔編號H01L51/40GK101335332SQ20071011815公開日2008年12月31日申請日期2007年6月29日優先權日2007年6月29日發明者貴於,劉雲圻,徐新軍,朱道本,狄重安,郭雲龍申請人:中國科學院化學研究所