CN100568574C - 一种有机场效应晶体管及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有机场效应晶体管及其制备方法与应用。该有机场效应晶体管包括衬底、位于所述衬底上的栅极电极、位于所述栅极电极上的由无机材料制成的绝缘层、位于所述绝缘层上的聚合物层、位于所述聚合物层上的有机半导体层以及位于所述有机半导体层上的源漏电极。该有机场效应晶体管使单个晶体管拥有多于2比特的存储能力，增加了单位面积上的信息存储密度，从而更进一步的降低存储器件的成本；且聚合物层来源广泛，制备工艺简单，成本低；对光源要求不高，而且对材料损伤很小。本发明的有机场效应晶体管可作为多比特存储器应用。

Description

一种有机场效应晶体管及其制备方法与应用

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与应用。

背景技术

逻辑电路和存储电路是电子产品最基本的组成部分。这些基本单元的发展基本上都是围绕成本降低来进行的。其中记忆单元降低成本的方法通常有两种：一是通过缩小单个存储单元的尺寸，二是在同一个存储单元上实现多于一个比特的存储。由于缩小尺寸受到光刻技术的限制，因此人们将更多的目光转移到了多比特存储器件上，从而实现高密度的存储。多比特存储的目标就是在一个晶体管中实现2ⁿ个阈值电压，从而得到n比特的存储效果。具有多比特存储效应的硅基晶体管，以其高度的集成性已经被广泛应用。

另一方面有机场效应晶体管由于在柔性显示，有机集成电路等方面的潜在应用前景引起了人们广泛的研究兴趣。自从上世纪80年代有机场效应晶体管发明以来(Tsumura，A.；Koezuka，H.；Ando，T.Appl.Phys.Lett.1986，49，1210)，有机场效应晶体管以其自身独特优点，主要包括其制备工艺简单、成本低廉、重量轻、柔韧性好等吸引着人们的目光。近几年来，有机场效应晶体管在材料(有机半导体材料，电极材料，绝缘层材料)、器件性能和其应用的开发等各方面均取得了长足的发展。目前，基于有机半导体的场效应晶体管的主要性能指标(迁移率和开关比)已经达到和无定形硅器件性能相媲美的程度(Nelson，S.F.；Lin，Y.Y.；Gundlach，D.J.；Jackson，T.N.Appl.Phys.Lett.1998，72，1854)，这使得有机场效应晶体管具备了走向应用的基本要素。另一方面有机材料的独特的光电性质使其在光开关，光传感器等方面有了很大的发展，但是将光学性质与晶体管的存储性质相结合的研究还相对较少。

具有存储效应的有机场效应晶体管以其简单的制备工艺，易柔性化等特点，成为进一步降低信息存储成本的又一有效途径，因此如何实现有机场效应晶体管的信息存储研究具有十分重要的意义。近来，人们采用各种手段来实现这一目的，例如：利用具有铁电性能的含氟聚合物(R.Schroeder，L.A.Majewski，M.Grell，Adv.Mater.2004，16，633.)，有介电性能的聚合物材料聚乙烯醇(Th.B.Singh，N.Marjanovic，G.J.Matt，N.S.Sariciftci，R.S.Bauer，Appl.Phys.Lett.2004，85，5409.)和聚对甲基苯乙烯(K.-J.Baeg，Y.-Y.Noh，J.Ghim，S.-J.Kang，H.Lee，D.-Y.Kim，Adv.Mater.2006，18，3179.)等采用不同的操作方法将电信号写入聚合物材料实现了有机晶体管的信息存储，但是这些研究都是基于单比特存储所进行的。

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，包括衬底、位于所述衬底上的栅极电极、位于所述栅极电极上的由无机材料制成的绝缘层、位于所述绝缘层上的聚合物层、位于所述聚合物层上的有机半导体层以及位于所述有机半导体层上的源漏电极。

本发明所提供的制备有机场效应晶体管的方法，包括以下步骤：

1)在衬底上沉积栅极电极、然后在栅极电极上沉积由无机材料制成的绝缘层；

2)将沉积有栅极电极和绝缘层的衬底，依次用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗后烘干，然后用甩膜法将聚合物溶液旋涂于绝缘层表面，烘干，得到了聚合物层；

3)在步骤2)制备的聚合物层上采用有机物成膜方法制备有机半导体层；

4)在步骤3)制备的有机半导体层上制备源电极和漏电极，得到有机场效应晶体管。

所述方法还包括活化的步骤：在光能量密度为0.01～10毫瓦每平方厘米的可见光照射下，在大气环境和室温条件下对所述步骤4)的有机场效应晶体管的阈值电压进行调控。

其中，所述衬底是由下述四种材料中的一种制成：玻璃、陶瓷、聚合物和硅片。

所述聚合物层由下述三种材料中的一种或其任意组合制成：聚苯乙烯，聚丙烯酸甲酯和聚碳酸酯；所述聚合物层的厚度10～100纳米。所述有机半导体层是由有机小分子材料和/或高分子材料构成；所述有机小分子材料优选为并五苯或酞菁铜；所述有机物成膜方法为下述四种方法中的一种：真空蒸镀法、甩膜法、滴膜法和印刷法；所述有机半导体层的厚度为10～150纳米。

经活化后的有机场效应晶体管也属于本发明的保护内容。

本发明所提供的有机场效应晶体管以及经活化后的有机场效应晶体管可作为多比特存储器。

本发明具有以下特点和优点：

1、本发明所制备的有机场效应晶体管使单个晶体管拥有多于2比特的存储能力，增加单位面积上的信息存储密度，从而更进一步的降低存储器件的成本；

2、可见光辅助有机场效应晶体管多比特存储方法是一种简单的新型信息存储方法；

3、聚合物层来源广泛，制备工艺简单，成本低；

4、对光源要求不高，而且对材料损伤很小。

附图说明

图1为本发明的基于可见光辅助有机场效应晶体管的结构示意图。

图2为本发明所用可见光的光谱图。

图3为本发明的有机场效应晶体管在可见光辅助作用下，在各层间光生激子分离，电子产生，俘获；在无光条件下释放；空穴的俘获，释放的各个过程。

图4为实施例1制备的以聚苯乙烯为聚合物层的基于光辅助并五苯的有机场效应晶体管在一定能量可见光的作用下，采用不同起始扫描栅压得到的转移曲线。

图5为实施例1制备的以聚苯乙烯为聚合物层的基于光辅助并五苯的有机场效应晶体管在经过图4过程后，关闭光源，然后进行电信号写入的过程，分别得到了S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8八个阈值电压值的转移曲线。

图6为实施例2制备的以聚丙烯酸甲酯为聚合物层的基于光辅助并五苯的有机场效应晶体管在经过图4过程后，关闭光源，然后进行电信号写入的过程，分别得到了S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8八个阈值电压值的转移曲线。

图7为实施例1制备的以聚苯乙烯为聚合物层的基于光辅助酞菁铜的有机场效应晶体管在经过图4过程后，关闭光源，然后进行电信号写入的过程，分别得到了S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8八个阈值电压值的转移曲线。

图8为实施例1制备的以聚丙烯酸甲酯为聚合物层的基于光辅助酞菁铜的有机场效应晶体管在经过图4过程后，关闭光源，然后进行电信号写入的过程，分别得到了S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7七个阈值电压值的转移曲线。

具体实施方式

本发明的可见光辅助的有机场效应晶体管，其中有机场效应晶体管为上电极结构，包括衬底、栅极电极、绝缘层、源漏电极和有机半导体层，如图1所示；其绝缘层为聚合物修饰的无机绝缘层，该层也是信息存储的部分；其所述可见光的光能量密度为0.01～10毫瓦每平方厘米，其光谱如图2所示。

所述衬底，是由玻璃、陶瓷、聚合物和硅片中的一种制成。

所述栅极电极，是由具有低电阻的材料构成，包括金、银、铝、铜等各种金属及合金材料以及金属氧化物(如氧化铟锡)导电材料，沉积方法可以是真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积等各种沉积方法。

所述绝缘层，由具有良好介电性能的绝缘材料构成，包括无机绝缘材料二氧化硅、氮化硅和其他无机绝缘材料，制备方法可以是等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、甩膜、真空蒸镀或喷墨打印等。

所述聚合物修饰层，由下述三种材料中的一种或其任意组合制成：聚苯乙烯，聚丙烯酸甲酯和聚碳酸酯；所述聚合物层的厚度为10纳米到100纳米。

制备所述的有机场效应晶体管的方法，包括以下步骤：

第一步，聚合物层的制备：

将沉积有栅极电极和绝缘层的衬底，依次用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗后烘箱烘干，然后用甩膜的方法将聚合物溶液旋涂于绝缘层的表面，放入烘箱，抽真空加热退火处理；

第二步，有机半导体材料的沉积：

在上述修饰的衬底上采用有机物成膜方法制备厚度为10～150纳米的有机半导体层；

第三步，源漏电极的制备：

采用传统电极制备方法，真空沉积或者印刷金属作为源漏电极，得到有机场效应晶体管。

所述方法还包括对得到的有机场效应晶体管进行活化的步骤。

有机场效应晶体管的电学性能是在一定能量的可见光辅助下，在大气环境和室温条件下测量的。先用可见光辅助电压调控法对器件的阈值电压进行调控，关闭光源，然后，用电压程序对器件的阈值电压进行调控，达到了多于2比特存储的要求。整个过程中的可见光辅助作用下，半导体层产生光生激子，正电压作用使激子分离，空穴传输增加源漏电流，电子被聚合物修饰层俘获产生内建电场，使得器件的阈值电压变化，关掉光源后，通过负电场作用使得与注入的空穴复合阈值电压依次变化，在更大的负电场作用下，致使空穴被俘获阈值电压再次变化各个过程如图3所示，然后再通过光辅助消除空穴，并产生多于激子依次循环。

其所述步骤1)中，制备栅极电极，是用真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积和印刷各种沉积方法中的一种。

其所述有机半导体层，是由有机小分子材料和/或高分子材料构成；所述有机物成膜方法，是真空蒸镀、甩膜、滴膜和印刷方法中的一种。

所述的可见光辅助有机场效应晶体管的测试中，其所述可见光，其光能量密度为0.01～10毫瓦每平方厘米。

所述的可见光辅助法是在可见光照射下，逐步改变起始扫描电压，进而改变阈值电压状态；其所述的电压程序是在无光照条件下，通过快速负栅压脉冲对器件的阈值电压调控和信号的写入。

实施例1、聚苯乙烯为聚合物层的基于光辅助并五苯的有机场效应晶体管

第一步，聚合物层的制备：

将沉积有栅极电极(由高掺杂硅构成)和绝缘层(由二氧化硅构成)的衬底(由硅片制成)，依次用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗后烘箱烘干，然后用匀胶机甩膜将5mg/mL的聚苯乙烯的甲苯溶液，以3000r/min的转速旋涂于其表面，放入烘箱，抽真空，真空度为0.1帕斯卡，加热至80度处理1小时，自然冷却。

第二步，有机半导体材料的沉积：

将上述修饰的衬底放入真空镀膜机中，将真空度抽至为5×10^-4Pa下，采用热蒸镀的方式，以0.3埃每秒的速度沉积并五苯有机层，至厚度为50纳米。

第三步，源漏电极的制备：

采用金属掩模方法制备源漏电极，将金属掩模板盖在第二步制备的并五苯有机薄膜上，放入真空镀膜机中，将真空度抽至为5×10^-4Pa下，然后加热蒸发源上的金，使其以1埃每秒的速度沉积到盖有掩模的有机薄膜上，形成厚度为50纳米的金层作为源漏电极，得到有机场效应晶体管。

第四步，器件测试：

将第三步制备的有机场效应晶体管用可见光(近似白光光源，波长为400-700纳米，能量为1毫瓦每平方厘米)照射，并对器件的阈值电压进行如下调控：源漏电压为负60V，栅电压从不同起始电压+20V，+40V，+60V，+80V开始，按照图4各曲线的栅电压进行扫描。扫描结束关掉光源，规定此时的器件阈值电压状态为S1。然后，外加电压程序(源漏电压为0V，栅电压分别为-50V，-70V，-100V，-120V，-150V，-170V，-200V；时间为1微秒)对器件进行阈值电压调控和信号写入。从而实现了阈值电压S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8态，达到了多于2比特存储的要求，如图5所示。

实施例2、聚丙烯酸甲酯为聚合物层的基于光辅助并五苯的有机场效应晶体管

器件的制备和测试方法与实施例1一致，唯一不同的是采用聚丙烯酸甲酯为聚合物层。结果如图6所示，得到的结果趋势与实施例1一致。

实施例3、聚苯乙烯为聚合物层的基于光辅助酞菁铜的有机场效应晶体管

器件的制备和测试方法与实施例1一致，不同的是采用酞菁铜为有机半导体层。结果如图7所示，得到的结果趋势与实施例1一致。

实施例4、聚丙烯酸甲酯为聚合物层的基于光辅助酞菁铜的有机场效应晶体管

器件的制备和测试方法与实施例1类似，不同的是采用酞菁铜为有机半导体层，聚丙烯酸甲酯为聚合物修饰层。结果如图8所示，得到的结果趋势与实施例1一致。

Claims (9)

1、一种用于多比特存储的有机场效应晶体管，包括衬底、位于所述衬底上的栅极电极、位于所述栅极电极上的由无机材料制成的绝缘层、位于所述绝缘层上的聚合物层、位于所述聚合物层上的有机半导体层以及位于所述有机半导体层上的源漏电极，其特征在于：将所述有机场效应晶体管用光能量密度为0.01～10毫瓦每平方厘米的可见光照射，并对所述有机场效应晶体管的阈值电压进行如下调控：源漏电压为负60V，栅电压从不同起始电压+20V，+40V，+60V，+80V开始，进行扫描，扫描结束停止照射，规定此时的所述有机场效应晶体管阈值电压状态为S1；然后，外加电压程序：源漏电压为0V，栅电压分别为-50V，-70V，-100V，-120V，-150V，-170V，-200V，时间为1微秒，对所述有机场效应晶体管进行阈值电压调控和信号写入，从而实现了阈值电压S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8态，得到所述用于多比特存储的有机场效应晶体管。

2、根据权利要求1所述的用于多比特存储的有机场效应晶体管，其特征在于：所述衬底是由下述四种材料中的一种制成：玻璃、陶瓷、聚合物和硅片。

3、根据权利要求1或2所述的用于多比特存储的有机场效应晶体管，其特征在于：所述聚合物层由下述三种材料中的一种或其任意组合制成：聚苯乙烯，聚丙烯酸甲酯和聚碳酸酯；所述聚合物层的厚度为10-100nm。

4、根据权利要求1或2所述的用于多比特存储的有机场效应晶体管，其特征在于：所述有机半导体层是由有机小分子材料和/或高分子材料构成；所述有机半导体层的厚度为10-150nm。

5、根据权利要求3所述的用于多比特存储的有机场效应晶体管，其特征在于：所述有机半导体层是由有机小分子材料和/或高分子材料构成；所述有机半导体层的厚度为10-150nm。

6、一种制备权利要求1所述的用于多比特存储的有机场效应晶体管的方法，包括以下步骤：

1)在衬底上沉积栅极电极、然后在栅极电极上沉积由无机材料制成的绝缘层；

2)将沉积有栅极电极和绝缘层的衬底，依次用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗后烘干，然后用甩膜法将聚合物溶液旋涂于绝缘层表面，烘干，得到了聚合物层；

3)在步骤2)制备的聚合物层上采用有机物成膜方法制备有机半导体层；

4)在步骤3)制备的有机半导体层上制备源电极和漏电极，得到有机场效应晶体管；

5)将步骤4)得到的有机场效应晶体管在光能量密度为0.01～10毫瓦每平方厘米的可见光下照射，并对所述有机场效应晶体管的阈值电压进行如下调控：源漏电压为负60V，栅电压从不同起始电压+20V，+40V，+60V，+80V开始，进行扫描，扫描结束停止照射，规定此时的所述有机场效应晶体管阈值电压状态为S1；然后，外加电压程序：源漏电压为0V，栅电压分别为-50V，-70V，-100V，-120V，-150V，-170V，-200V，时间为1微秒，对所述有机场效应晶体管进行阈值电压调控和信号写入，从而实现了阈值电压S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8态，得到了用于多比特存储的有机场效应晶体管。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述聚合物溶液为下述三种材料中的一种或其任意组合物的溶液：聚苯乙烯，聚丙烯酸甲酯和聚碳酸酯；所述聚合物层的厚度为10-100nm。

8、根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于：所述有机半导体层是由有机小分子材料和/或高分子材料构成；所述有机物成膜方法为下述四种方法中的一种：真空蒸镀法、甩膜法、滴膜法和印刷法；所述有机半导体层的厚度为10-150nm。

9、权利要求1-5中任一所述的有机场效应晶体管作为多比特存储器的应用。

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