CN100511751C

CN100511751C - 一种有机场效应晶体管及其制备方法

Info

Publication number: CN100511751C
Application number: CNB2005101090716A
Authority: CN
Inventors: 胡文平; 李洪祥; 汤庆鑫
Original assignee: Institute of Chemistry CAS
Current assignee: Institute of Chemistry CAS
Priority date: 2005-10-17
Filing date: 2005-10-17
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2025-10-17
Also published as: CN1953231A

Abstract

本发明公开了一种有机场效应晶体管及其制备方法。本发明所提供的有机场效应晶体管，包括一作为栅极的基板，一位于基板上的绝缘层，一位于绝缘层上的源电极和漏电极，其中，在源电极和漏电极电极间设有一有机半导体单晶微/纳米材料，其两端通过二相互间隔的金属膜与源电极和漏电极连接，二金属膜间距为5-20微米。本发明的有机场效应晶体管具有迁移率高而阈值电压低的优良特性，所采用的制备方法具有如下优点：1)整个过程中没有使用有机溶剂，避免了对纳米材料表面的破坏；2)所需设备相对简单，避免了高能粒子对纳米线的辐照和破坏；3)能够制备出规格可控的器件；4)能够控制场效应晶体管的结构并形成良好的电极接触。

Description

一种有机场效应晶体管及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种有机场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

近年来，由于有机场效应晶体管在有机/分子电子学方面潜在的应用而吸引了人们的注意。有机场效应晶体管主要包括有机半导体导电层、绝缘层和源、漏、栅电极几部分，大多采用有机物薄膜作为导电层。由于薄膜中存在晶格无序和晶界缺陷，有机半导体的本征性质往往被掩盖，器件迁移率的提高也受到了限制，而且薄膜中较高的缺陷浓度大大提高了有机场效应晶体管的阈值电压。低迁移率和高阈值电压掩盖了有机场效应晶体管的优势，同时限制了其在电路中的应用。有机半导体单晶材料由于晶格严格有序排列，缺陷很少，所以用其制得的场效应晶体管能够体现出有机半导体的本征性质，具有高的迁移率和低阈值电压。目前有机单晶场效应晶体管一般采用较大的单晶作为导电层(R Zeis.；T Siegrist.；Ch Kloca.；Appl.Phys.Lett.2005，86(022103)，V Podzorov.；V M Pudalov.；M E Gershenson.；Appl.Phys.Lett.2003，82(1739))，但是，并不是所有有机半导体晶体都能生长到足够大，以满足制备器件的要求，而目前利用小有机半导体晶体制备成场效应晶体管还未见报道。

在将有机物半导体微/纳米晶体制备成场效应晶体管时，如何将制得的有机半导体半导体微/纳米晶体与电极良好接触是一个难题。无机纳米线器件的制备中，纳米线和电极的接触一般采用两种方法，分别是聚焦离子束沉积(FIB)(Yunze Long.；NanlinWang.；et al.Appl.Phys.Lett.2003，83(1863))和电子束曝光平板印刷术(Yu Huang.；Charles M.Lieber.；et al.Nano Lett，2002，2(101))。但是，这两种方法除了所需设备非常昂贵外，各自还存在很大缺点。对聚焦离子束来说，在沉积电极的同时存在很大的镓离子和有机物污染，这些污染很容易将有机纳米线的性质掩盖掉；而电子束曝光平板印刷术中，一方面要使用光刻胶，在处理这些胶时所用的有机溶剂容易损坏有机微晶，另一方面其使用的电子枪电压较高，高能电子束很容易损坏有机晶体的晶格，破坏其结构，直接影响所制备器件的性能。

在场效应晶体管的制备过程中，将有机晶体移动到电极表面并使之与绝缘层表面良好接触，也存在一定的困难。常规使用的移动方式是将纳米结构置于与之不溶的溶剂中，超声分散，再滴膜或甩膜，溶剂挥发后纳米结构将分散到基片上。然而，有机物晶体的机械性能一般较差，在超声分散时很容易断裂破损，限制了超声分散的使用。而且，超声分散的方法存在很大的随机性，不能人为控制分散晶体的尺寸和位置。

发明内容

本发明的目的是提供一种有机场效应晶体管及其制备方法。

本发明所提供的有机场效应晶体管，包括

一作为栅极的基板，

一位于基板上的绝缘层，

一位于绝缘层上的源电极和漏电极，

其中，在所述源电极和漏电极电极间设有一有机半导体单晶微/纳米材料连接结构，所述连接结构两端通过二相互间隔的金属膜与所述源电极和漏电极连接，二金属膜间距为5—20微米。

其中，所用的有机半导体单晶微/纳米材料优选为稠环芳香族有机半导体单晶微/纳米材料，一般具有宽度在10纳米—5微米、长度在10微米—0.1毫米的一维带状或棒状结构；或者，具有厚度在10纳米—5微米，长度在10—20微米的块状或片状结构。常见的稠环芳香族有机半导体化合物有，大环类有机半导体化合物，如酞菁类化合物(如铜酞菁、十六氟代铜酞菁等)、卟啉类化合物(如四苯基卟啉等)，和其他多种具有平面分子构形的有机半导体化合物(如苝、并五苯、二氯并四苯、四氟代并四苯、苝—TCNQ等)，这些化合物的单晶材料可以按照实施例中所介绍的方法进行制备。

源电极和漏电极均由钛层和金层构成，距离控制在50—100微米。金属膜选自金、银、铝、钙和镁层中的一种或几种。基板为高掺杂n型硅；绝缘层为二氧化硅绝缘层。

该有机场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：

1)在带有绝缘层的基板上布设二电极；

2)将有机半导体单晶微/纳米材料转移到电极间，使其两端与电极均不相连接；

3)沿平行于电极缝隙方向在所述有机半导体单晶微/纳米材料上固定一金属丝，然后蒸镀金属层，使纳米线两端通过所述金属层分别与二电极相连接；

4)移动金属丝，重新蒸镀金属，使两金属层间距为5—20微米，得到所述场效应晶体管。

其中，步骤2)中移动有机半导体单晶微/纳米材料时可采用机械探针台和高倍光学显微镜。

通过多次移动金属丝，然后蒸镀金属的方式，可以有效的控制金属膜的间距，从而控制所制备的场效应管的沟道长度。也可以根据器件需要，在移动金属丝后蒸镀不同金属，使晶体的两端连接不同的金属。

本发明有机场效应晶体管具有阈值电压低而迁移率高的优良特性，所采用的制备方法具有如下优点：1)整个过程中没有使用有机溶剂，避免了有机溶剂对晶体材料表面的破坏；2)所需设备相对简单，避免了高能粒子对纳米线的辐照和破坏，也避免了在制备电极过程中引入不必要的污染；3)制备过程中，可以人为选择满足制备器件要求的晶体材料并将之置于确定的区域，能够制备出规格可控的器件；4)能够控制场效应晶体管的结构并形成良好的电极接触。

附图说明

图1为本发明有机场效应晶体管的结构示意图；

图2为纳米线制备用管式炉结构示意图；

图3为酞菁铜纳米线扫描电镜照片；

图4为实施例1所制备酞菁铜单晶纳米线场效应晶体管扫描电镜照片；

图5A和图5B分别为实施例1场效应晶体管的输出特性曲线和转移特性曲线。

具体实施方式

实施例1、

本发明场效应晶体管的结构示意图如图1所示：两个电极35(由一层5纳米厚的钛层351和70纳米厚的金层352组成)预先布设于带有绝缘层32的基板31上，这两个电极分别作为晶体管的源极和漏极，基板31同时也是晶体管的栅极；有机半导体单晶微/纳米材料33位于两个电极35之间，其两端通过两个金属膜34分别与两个电极相连接，两个金属层之间的距离可以调整到合适的程度；根据器件的要求，两个金属层可选择相同或不同的金属元素，只需保证金属膜与有机半导体单晶微/纳米材料33间形成欧姆接触即可，常见的有金、银、铝、钙和镁等。

在上述晶体管中，所用的有机半导体单晶微/纳米材料选择现有的单晶材料，也可以采用如下方法获得：

1)在带有真空系统的两段控温管式电阻炉的两段分别放入蒸发源和沉积衬底，抽真空到1—10Pa；

2)沿蒸发源到沉积衬底的方向通入保护气，保护气气流量为200—300sccm；

3)将蒸发段温度升温，控制其温度略高于蒸发源在炉内真空度下的沸点温度；控制沉积段温度，使其温度低于蒸发源在炉内真空度下的熔点温度，保温后在沉积衬底上得到所述有机半导体单晶纳米材料。

其中，所用的蒸发源可为稠环芳香族有机半导体化合物，常见的有酞菁类化合物(如铜酞菁、十六氟代铜酞菁等)、卟啉类化合物(如四苯基卟啉等)和其他多种具有平面分子构形的有机半导体化合物(如苝、并五苯、二氯并四苯、四氟代并四苯、苝—TCNQ等)。

通过上述方法制备的有机半导体单晶微/纳米材料，可以是一维带状或棒状结构，其宽度范围为几十到几百纳米，长度一般超过20微米，最长可达0.1毫米，也可能是块或片状结构，厚度在几十纳米到几微米，长度10-20微米。获得的结构均为单晶，原子严格有序排列，能够体现出材料的本征性质，也利于电荷的传输。

具体的，该场效应晶体管的制备过程如下：

一、酞菁铜纳米线的制备

沉积中使用的源材料酞菁铜从Alfa公司购买，经过3次升华提纯后用于制备纳米线。

实验中使用的电阻炉为北京电炉厂生产的SK4—10型，配备一根可抽真空和充入气体的石英管，其结构示意图如图2：石英管12位于电阻炉11内部，分为两段，蒸发段121和沉积段122，两段的温度分别由控温仪171、控温仪172(北京电炉厂生产的SKY—4型可控硅温度控制仪)控制其温度，蒸发源13放置于蒸发段121中央，沉积衬底14放置于沉积段122开始处；保护气15沿蒸发源13到沉积衬底14的方向进入石英管12内部，以泵16控制石英管12内部的真空度。

酞菁铜粉末作为蒸发源13放到石英坩埚中，多孔三氧化二铝片作为沉积衬底14使用，置于管式炉后封闭石英管12，用机械泵16抽真空至10Pa以下，然后由蒸发段121前端通入高纯氩气15，氩气气流量为300sccm。在实验中使用两个控温仪171和控温仪172控制温度：控温仪171控制蒸发段121的温度，控温仪172控制沉积段122的温度，沉积段122的温度设定为200℃，保持不变，在蒸发段121升温前先升温到设定温度。蒸发段121的温度设定为：以7℃/min的速度用50分钟的时间将温度由室温升到380℃，然后以0.5℃/min的速度用90分钟缓慢将温度由380℃升高至425℃，到425℃后保温30分钟，之后在保持真空和充气保护条件下自然降温至100℃以下，取出样品。

所得分散酞菁铜纳米线扫描电镜照片见图3，表明：在多孔铝基片上生成了大量带状纳米结构，其表面光洁，粗细从几十纳米到几百纳米，长度超过20微米。在其选区电子衍射谱中，可以观察到清晰的衍射图案，而且当电子束沿纳米线移动时衍射图案不发生变化，说明整个一维结构是由一个单晶组成。

二、场效应晶体管的制备

预先沉积场效应晶体管中使用的电极：基板31选用高掺杂n型硅，并作为晶体管的栅极，表面上热氧化生长了一层300nm厚的二氧化硅绝缘层32，然后，再在二氧化硅绝缘层32上沉积5nm厚的钛层351以加强电极对基片的附着能力，然后沉积70nm厚的金层352，构成两个电极35，作为晶体管的源极和漏极，两者间缝隙为100微米。

用美国Micromanipulator公司生产的MM6150型探针台在高倍光学显微镜(400-1000倍)下将所制备酞菁铜纳米线33(长为30-40微米，宽为200nm)移到两个电极35间的缝隙处，尽量使纳米线的两端指向左右两电极。然后在显微镜下用直径20微米的金丝垂直于纳米线放置在纳米线中央，将纳米线的两端露出来，固定金丝；然后，通过真空镀膜机在纳米线上热蒸发一层厚为50纳米的金层，将未被金丝覆盖的纳米线两端以金层分别与两个电极连接。由于所使用的金丝较粗，在沉积完以后可以在显微镜下将金丝平移一定距离，露出一部分被金丝遮挡的区域，然后再次沉积金，这样就可以控制纳米线上两电极之间的距离，也就能够控制由纳米线构成的场效应晶体管的沟道长度(最终能够将长度控制为5-10微米)。最后将金丝取下，场效应晶体管制备过程结束。

在制备中使用预沉积电极的好处是使器件的电极具有很好的附着能力，同时可通过选择适当的金属保证与纳米线接触的金属电极的功函与纳米线的能带相匹配，形成良好的欧姆接触。所制备得到的酞菁铜单晶纳米线场效应晶体管扫描电镜照片如图4所示(图中41为纳米线，42为第一次所沉积金膜，43为第二次所沉积金膜)，其输出特性曲线和转移特性曲线见图5A和图5B，器件的沟道宽度(纳米线宽度)约为200nm，沟道长度约为10μm，迁移率约为0.1cm²V^-1s^-1，阈值电压为-2.9V。此迁移率高于薄膜器件，而阈值电压则是所见报道的采用常规二氧化硅绝缘层的有机场效应晶体管中最低的，表明该晶体管具有优良的性能。

采用相同的方法可以制备得到十六氟代酞菁铜纳米线、并五苯纳米线，采用以上方法制作出场效应晶体管，经测试，所得晶体管具有相同的性能。

Claims

1、一种有机场效应晶体管，包括

一作为栅极的基板，

一位于基板上的绝缘层，

一位于绝缘层上的源电极和漏电极，

其特征在于：在所述源电极和漏电极间设有一有机半导体单晶微/纳米材料连接结构，所述连接结构两端通过二相互间隔的金属膜与所述源电极和漏电极连接，二金属膜间距为5—20微米。

2、根据权利要求1所述的有机场效应晶体管，其特征在于：所述有机半导体单晶微/纳米材料为稠环芳香族有机半导体单晶微/纳米化合物。

3、根据权利要求2所述的有机场效应晶体管，其特征在于：所述稠环芳香族有机半导体化合物为具有平面分子构形的有机半导体化合物。

4、根据权利要求3所述的有机场效应晶体管，其特征在于：所述稠环芳香族有机半导体化合物为酞菁化合物或卟啉化合物。

5、根据权利要求1或2或3或4所述的有机场效应晶体管，其特征在于：所述源电极和漏电极均由钛层和金层构成，电极间距离为50—100微米。

6、根据权利要求1或2或3或4所述的有机场效应晶体管，其特征在于：所述金属膜选自金、银、铝、钙和镁层中的一种或几种；所述基板为高掺杂n型硅；所述绝缘层为二氧化硅绝缘层。

7、权利要求1所述有机场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：

1)在带有绝缘层的基板上布设二电极；

2)将有机半导体单晶微/纳米材料的纳米线转移到电极间，使其两端与电极均不相连接；

3)沿平行于电极缝隙方向在所述有机半导体单晶微/纳米材料上固定一金属丝，然后蒸镀金属层，在金属丝两侧形成二相互间隔的金属层，使纳米线两端通过所述金属层分别与二电极相连接；

4)移动金属丝，重新蒸镀金属，使两金属层缝隙为5—20微米，得到所述场效应晶体管。

8、根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述有机半导体单晶微/纳米材料为稠环芳香族有机半导体单晶微/纳米化合物。

9、根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述稠环芳香族有机半导体化合物为具有平面分子构形的有机半导体化合物。

10、根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述稠环芳香族有机半导体化合物为酞菁化合物或卟啉化合物。

11、根据权利要求7或8或9或10所述的制备方法，其特征在于：所述基板为高掺杂n型硅；所述绝缘层为二氧化硅绝缘层；所述电极由钛层和金层构成，电极间距离为50—100微米；所述金属层选自金、银、铝、钙和镁层中的一种或几种。

12、根据权利要求7或8或9或10所述的制备方法，其特征在于：移动有机半导体单晶微/纳米材料采用机械探针台和高倍光学显微镜。