CN100511752C - 双面透光的全有机场效应光敏晶体管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

双面透光的全有机场效应光敏晶体管及其制备方法，即在透明衬底上蒸镀导电电极作为栅极，然后将有机介电绝缘材料制备到透明导电栅极上，再将导电源极蒸镀到有机介电绝缘层上，再蒸镀有机功能层，最后蒸镀透明导电漏极完成全有机场效应光敏晶体管器件的制备。该有机场效应光敏晶体管中的介电绝缘层和功能层都是用有机材料，且该光敏晶体管使用垂直结构，所以制作简单，无需光刻等复杂工艺。沟道长度可以作得很薄而可大大提高场效应光敏晶体管器件的“开/关”电流比。该光敏晶体管上下两面都可以吸收光照，利于提高器件性能。

Description

双面透光的全有机场效应光敏晶体管及其制备方法
技术领域
本发明涉及场效应光电晶体管技术，具体地讲是一种双面透光的全有机场效应光敏晶体管及其制备方法。
背景技术
世界各国的科研工作者对有机半导体产生了浓厚的兴趣。在过去的二十多年时间里，有机半导体材料由于具有轻质、廉价以及可与柔性衬底相兼容等诸多优点而广泛应用于光电子领域。宽的吸收光谱和高的吸收系数(～105cm-1)，以及化学家们可以裁剪其电学和光电子学特性来满足特殊的应用或特殊的光谱范围，这些都激起人们对有机材料在光电探测和太阳能转换等应用方面的特殊兴趣。有机材料的低折射率以及与之相应的透明衬底(玻璃或塑料)都能使光有效地耦合到器件中，从而能得到潜在的高量子效率。高灵敏度的光电探测器是获得图像传感器的基本部件。
众所周知，在有机场效应光电晶体管(又称“有机场效应光敏晶体管”或“有机光电场效应晶体管”)中，场效应晶体管的跨导是用来放大光电流的。典型的有机场效应光电晶体管具有与有机场效应晶体管(OFETs)相同的结构，都具有三个导电极(即源极、漏极和基极)以及一层有机半导体层。在光照期间，有机材料内部产生激子并紧接着分裂为自由载流子，其中的某一种载流子就被陷在器件内的载流子陷阱中。事实上，有机场效应光电晶体管是一种不断内建被陷载流子的集成器件。这种内建载流子不断改变场效应晶体管的阈值电压---这样就转化为放大的漏电流。要得到高增益，必须能有效地产生光生自由载流子、具有良好的场效应晶体管特性以及能有效地捕捉某一种载流子。至今，对于不同的有机半导体材料，许多人都注意到了光照条件下有机场效应晶体管的漏电流增强行为。
与有机光电二极管以及有机双极光电晶体管相比，工作在场效应晶体管的“关”态下的有机场效应光敏晶体管具有较高的增益和信噪比。而且，由于有机场效应光敏晶体管具有与OFETs相似的结构，与其它有机光电探测器相比，把有机场效应光敏晶体管与OFETs集成到电路中会更加直接且简单。因此，有机场效应光敏晶体管是实现全有机图像传感器的很有前景的器件。
传统结构的有机薄膜晶体管在制作过程中仍需光刻工艺，对有机薄膜的有序性产生一定的影响，进而影响器件的整体性能；同时，源、漏电极的接触电阻和沟道电阻也是影响器件性能的主要因素。有机晶体管由于材料的迁移率相对较低以及“开/关”电流比依赖于沟道长度等因素，它们的性能和微型化受到限制。因此，为了适合于工作频率高的应用，垂直结构的有机晶体管可以减小沟道长度从而提高工作频率。
光诱导效应是光敏场效应晶体管的工作基础，其应用非常广泛。有机场效应光敏晶体管可用作光诱导开关、光触发放大、探测电路以及在有机场效应光敏晶体管阵列中作为高灵敏度的图像传感器。各种有机和聚合物半导体作成的有机场效应光电晶体管已有报道，如用纯的聚噻吩[poly(3-octylthiophene)]、聚芴、双功能的螺旋化合物和聚亚苯基乙炔撑[polyphenyleneethynylene]的衍生物都得到了0.5-1A/W的敏感度。
由于并五苯具备获得高效有机场效应光敏晶体管的两个关键因素：能提供优良的场效应晶体管特性以及在可见光谱区的高吸收(禁带宽度为2.0eV)。因此，我们可以充分利用并五苯和垂直构型场效应晶体管的各自优点并发挥它们各自的优势，开发出响应速度快、性能优良的新型场效应光敏晶体管。
发明内容
本发明的目的就是提供一种双面透光的全有机场效应光敏晶体管及其制备方法，这种双面透光的场效应光敏晶体管能克服传统结构的有机薄膜光电晶体管的诸多缺点。
本发明所采用的技术方案是：
双面透光的全有机场效应光敏晶体管采用垂直构型器件结构，即：
在透明柔性有机衬底上，有透明导电电极作为栅极；
在透明导电栅极上，有透明有机介电绝缘层和有机功能层；
在透明有机介电绝缘层与有机功能层之间，有导电电极作为源极；
在有机功能层上有透明导电电极作为漏极。
该双面透光的全有机场效应光敏晶体管的制备方法，有如下步骤：
(1)先清洗柔性透明有机衬底，然后将透明导电电极蒸镀到透明有机衬底上作为场效应光敏晶体管的栅极；
(2)将透明有机介电绝缘层材料制备到透明导电栅极上；
(3)将导电电极材料蒸镀到透明有机介电绝缘层上，形成一定厚度的导电层作为源极；
(4)在源极上蒸镀有机功能薄膜层；
(5)将透明导电电极材料蒸镀到有机功能薄膜层上作为漏极，从而完成整个场效应光敏晶体管器件的制备。
本发明的优点是：由于这种场效应光敏晶体管是在透明衬底上制备的，并且是用透明有机材料来充当介电绝缘层，导电漏极也是透明导电电极，因此该有机场效应光敏晶体管可以从上下两面吸收光照。此外，由于该有机场效应光敏晶体管的结构采用垂直构型，其制作工艺简单，无需光刻等复杂工艺，沟道长度可以作得很薄，因而可以大大提高场效应光敏晶体管器件的“开/关”电流比。对于质轻、价廉及可与柔性衬底相兼容的有机材料，更有利于提高有机膜的有序性和场效应迁移率，工作电压低、响应速度快。本发明能充分利用透明有机绝缘材料和功能材料、以及垂直构型场效应晶体管的各自优点并发挥它们集合在一起后的优势，制备出响应速度快、性能优良的有机场效应光敏晶体管。
附图说明
图1为本发明的有机柔性衬底上的双面透光的全有机场效应光敏晶体管结构图。
图2为双面透光的全有机场效应光敏晶体管的制备方法方框简图。
具体实施方式
实施例1：如图1、2所示，有步骤如下：
(1)先清洗透明有机柔性衬底，然后在上面制备透明导电电极材料作为导电栅极。本实施例可选择在有机衬底PET上制备ITO电极作为导电栅极。在柔性衬底上制备场效应光敏晶体管的目的是为了便于携带以及大面积光电集成电路的实现。另外，透明衬底可以是刚性的无机衬底。
(2)将有机透明介电绝缘层BCB通过甩膜等方法制备到ITO导电栅极上，具有一定的厚度(～2μm)。对于不能用甩膜方法成膜的透明有机介电材料，可通过其它有机成膜方法来成膜。
(3)通过掩模板，用热蒸发等方法将导电金属Au蒸镀到透明BCB介电绝缘层上，厚度为100～300nm。
(4)在透明BCB介电绝缘层上用热蒸发等方法蒸镀有机功能层五苯薄膜，厚度100～200nm。有机功能层选用并五苯材料，有利于光的吸收，进而能得到高性能的场效应光敏晶体管。对于选用其它有机材料制备功能层，也可用甩膜等方法成膜。
(5)蒸镀透明导电电极Mg:Ag合金作为导电漏极(用作入射光的导电漏极必须是透明及半透明电极)，从而完成场效应光敏晶体管的制备。
依据以上方法，我们得到了如下的垂直构型的双面透光的全有机场效应光敏晶体管PET/ITO/BCB(2μm)/Au(30nm)/Pentacene(150nm)/Mg:Ag，即：
在有机柔性透明衬底(PET)1之上，有一层导电电极(ITO)2，且在ITO电极2之上有一层透明有机(BCB)介电绝缘层3和一层有机(Pentacene)功能层5，且在透明有机介电绝缘层3与有机功能层5之间，有一层金属(Au)源极4，在有机功能层5上镀有透明导电(Mg:Ag合金)漏极6。值得注意的是，可通过优化器件各功能层的厚度，特别是关注第(2)、(3)、(4)步，优选出合适的器件结构，可制备出响应速度快、性能优良的双面透光的全有机场效应光敏晶体管。
显然，在柔性衬底上制备全有机场效应光敏晶体管可以为全有机光电集成电子器件、以及全有机电路奠定基础。
另外，本发明的透明有机介电绝缘层可优化为多层有机绝缘层的组合；透明导电电极可以是多层金属及金属合金的组合层。

Claims (7)

1.一种双面透光的全有机场效应光敏晶体管的制备方法，其特征在于，有如下步骤：
(a)先清洗透明有机柔性衬底，然后将透明导电电极(2)蒸镀到透明有机柔性衬底(1)上作为场效应光敏晶体管的栅极或源极；
(b)将透明有机介电绝缘层材料(3)制备到清洗好的透明导电电极(2)上；
(c)将导电电极材料(4)蒸镀到透明有机介电绝缘层(3)上，形成一定厚度的导电层作为源极或栅极；
(d)在源极或栅极上蒸镀有机功能薄膜层(5)；
(e)将透明导电电极材料(6)蒸镀到有机功能薄膜层(5)上作为漏极，从而完成整个场效应光敏晶体管器件的制备。
2.根据权利要求1所述的双面透光的全有机场效应光敏晶体管的制备方法，其特征在于在步骤(a)中，是将透明导电电极(2)蒸镀到透明有机柔性衬底(1)上作为场效应光敏晶体管的栅极。
3.根据权利要求1所述的双面透光的全有机场效应光敏晶体管的制备方法，其特征在于在步骤(b)中，是通过甩膜的方法，将透明有机介电绝缘层材料(3)制备到清洗好的透明导电电极(2)上；对于不能用甩膜方法成膜的透明有机介电材料，可通过热蒸发方法成膜。
4.根据权利要求1所述的双面透光的全有机场效应光敏晶体管的制备方法，其特征在于在步骤(c)中，是用热蒸发的方法，通过掩模板将导电电极材料(4)蒸镀到透明有机介电绝缘层(3)上。
5.根据权利要求1所述的双面透光的全有机场效应光敏晶体管的制备方法，其特征在于在步骤(d)中，有机功能层(5)选用并五苯材料。
6.根据权利要求1所述的双面透光的全有机场效应光敏晶体管的制备方法，其特征在于在步骤(e)中，用于入射光的透明导电电极材料(6)，是透明或半透明电极。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述制备方法制备的一种双面透光的全有机场效应光敏晶体管，其特征在于其采用垂直构型器件结构，即：
在透明衬底(1)上，有透明导电电极(2)；
在透明导电电极(2)之上，有透明有机介电绝缘层(3)和有机功能层(5)；在透明有机介电绝缘层(3)与有机功能层(5)之间，有导电电极(4)作为源极或栅极；
在有机功能层(5)上有透明导电电极作为漏极(6)。
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