CN101022152B - 聚合物电解质薄膜晶体管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚合物电解质薄膜晶体管，由衬底，源漏电极，半导体有源层，聚合物电解质层和栅极电极依次层叠构成；所述的聚合物电解质层的材料含有芴基化学结构单元，且单元中含极性基团或离子性基团的化学组分。利用上述聚合物电解质材料作为有机薄膜晶体管的绝缘层，能大幅度提高漏极输出电流和降低晶体管工作电压。这种低工作电压和大电流输出的晶体管可用于驱动有机电致发光器件、电子纸和液晶显示器，且成本低容易制备。

Description

聚合物电解质薄膜晶体管

技术领域

本发明涉及薄膜晶体管。

背景技术

薄膜晶体管是电场控制下的电流或电压开关，是利用改变外加电场来控制半导体材料导电能力的有源薄膜器件。随着有机薄膜电致发光(OLED)和液晶平板显示(LCD)技术的发展，用有机材料制备的薄膜晶体管(OTFT)近年得到迅速发展。目前有机薄膜晶体管的应用主要集中在平板显示器，电子纸，交易卡，电子识别标签以及传感器等领域。与无机薄膜晶体管相比，有机薄膜晶体管具有加工温度低，可采用低成本沉积工序(旋涂、印刷、真空蒸发等技术)，适合大面积制备以及可与柔性衬底兼容等独特的优点。

目前，有机薄膜晶体管存在的主要问题是有源半导体材料的迁移率较低，导致输出电流较小，通常电流只能达到几十微安。这种小电流的有机薄膜晶体管不能用于有机电致发光器件(OLED)驱动，因为有机薄膜电致发光器件的驱动电流要求在毫安数量级以上，离OLED使用要求相差甚远。因此，急需解决的问题是如何提高有机薄膜晶体管的工作电流，同时不明显增加薄膜晶体管的工作面积，不降低OLED点阵显示屏的开口率。现在通常采用以下几种方法提高源漏输出电流：

(1)设计合成高迁移率的有机半导体材料。目前迁移率最高的材料是并五苯(迁移率在10^-2～10¹cm²/Vs之间)，但仍然小于无机非晶硅的迁移率(10⁰～10²cm²/Vs)，还不能满足驱动OLED的要求。

(2)改善有机薄膜晶体管的结构。包括设计特殊的器件结构使之有利于载流子输运，使用不同的源漏电极材料使载流子更容易注入，以及采用多层膜的方法来改善器件的电学性能。

(3)改善薄膜的质量。包括使用不同的成膜方法，通过控制成膜条件，如不同的成膜温度、速度；对材料进行高导电性分子掺杂；对薄膜界面进行修饰以及对薄膜进行热处理等。

(4)提高导电沟道的宽长比。薄膜晶体管的饱和电流和导电沟道的宽长比成正比。但目前由于工艺技术方面的原因，源漏电极间所能达到的最小距离还非常有限，采用掩模技术一般只能达到100μm左右，而采用一般的光刻技术最小也只能达到几个μm。所以在长度不能再小的情况下只能通过增加沟道宽度的办法提高宽长比，但宽度的增加又导致了器件面积的增大，限制了其应用范围。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种聚合物电解质薄膜晶体管，它采用聚合物电解质作为有机薄膜晶体管器件的绝缘层(即介质层)，具有较大的电容率，从而降低工作电压和提高输出电流。这类电解质作为绝缘层的有机薄膜晶体管的工作原理是，在栅极上加一偏压，电解质中的离子在半导体有源层和电解质层之间的界面上聚集，从而诱导半导体有源层内的载流子聚集形成导电沟道。

本发明的一种聚合物电解质薄膜晶体管，如图1所示，由衬底1，源漏电极2，半导体有源层3，聚合物电解质层4和栅极电极5依次层叠构成。

衬底1的材料可以是玻璃，二氧化硅，氮化硅等无机绝缘材料，也可以是有机高分子绝缘材料；

源漏电极2的材料成分可以是金属、高掺杂的硅无机导电材料，也可以是聚乙炔、聚苯胺等有机高分子导电材料；

半导体有源层3可以采用各种有机半导体材料，如并五苯、聚噻吩、聚芴、聚咔唑、及其齐聚物、金属配合物、金属螯合物等有机小分子或聚合物材料；

聚合物电解质层4的材料含有芴基化学结构单元，且单元中含极性基团或离子性基团的化学组分；所述芴基化学结构单元的化学结构式为：

其中R1，R2为带有烷基、胺基、季铵盐基、腈基、羧基、磺酸基和磷酸基中一个或多个的侧链。

本发明创造的优点和效果：本发明所提出的聚合物电解质作为有机薄膜晶体管的绝缘层，其电容率比传统的绝缘层(如二氧化硅)大，因此能够感应出较大的载流子密度，大大提高了输出电流，降低工作电压。另外，聚合物电解质可以与半导体有源层耦合得更好，使得半导体材料的载流子迁移率更高和器件输出电流更大。可见，本发明在提供大电流输出和低工作电压方面具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明提出的薄膜晶体管器件断面结构示意图，1是固体衬底；2是源漏电极；3是半导体有源层；4是聚合物电解质层；5是栅电极。

图2是实施例1中晶体管的输出特性曲线。

图3是实施例1中晶体管的转移特性曲线。

图4是实施例2中晶体管的输出特性曲线。

图5是实施例2中晶体管的转移特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进一步解释和说明。

本发明的薄膜晶体管的制备方法如下所述：如图1所示，衬底1采用玻璃作为晶体管器件的衬底；源漏电极2的材料为金，用真空热蒸镀制备，真空度5×10^-6Torr，电极薄膜厚度为30nm，并用掩模板控制晶体管沟道宽和长分别为3mm和0.4mm；有源半导体薄膜3的材料为聚3-己基噻吩(P3HT)，通过溶液旋涂的方法制备，薄膜厚度为200nm；将薄膜聚合物电解质材料溶解在甲醇溶剂中，将配成的溶液直接滴在半导体层3上，通过旋涂成膜，然后自然干燥，薄膜厚度60nm-100nm；栅电极5的材料是金，用真空热蒸镀方法制备，真空度为5×10^-6Torr，厚度为30nm。

实施例1

选用聚[9，9—二辛基芴—9，9—(双(3‘-(N，N—二甲基)—N—乙基铵)丙基)芴]二溴与4，7-二(N-甲基吡咯)-2，1，3-苯噻重氮(DBT)的聚合物电解质(PFNBr-DBT)，按上述步骤制备薄膜晶体管。

聚[9，9—二辛基芴—9，9—(双(3‘-(N，N—二甲基)—N—乙基铵)丙基)芴]二溴与4，7-二(N-甲基吡咯)-2，1，3-苯噻重氮(DBT)的聚合物电解质的化学结构式为

图2和图3分别给出了利用PFNBr-DBT作为聚合物电解质层的薄膜晶体管输出特性曲线和转移特性曲线。图2表明用这种方法制备的薄膜晶体管具有典型的饱和电流输出特性，并且饱和电流随着栅压负向增大而增大，表明载流子是空穴传输特性；图3表明栅极电压在较小范围内变化(3V)，漏极输出电流的变化范围可以达到至少3个数量级，而且在栅极偏压等于-3V时输出电流可以达到4.5mA(毫安数量级)。场效应迁移率用饱和区的晶体管沟道电流公式来计算：

$I_{\mathrm{Dsat}}=\frac{W{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{sat}}{C}_i}{2L}{(V_G-V_T)}^2$

其中W和L分别代表沟道的宽度和长度，C_i是栅绝缘层单位面积的电容，V_T是阈值电压，V_G是栅极偏压，μ_sat是饱和区场效应迁移率。由图3可知V_T约为0.5V。而测得的PFNBr-DBT层的电容率C_i约为200μF/cm²，计算得迁移率约为1.2cm²/Vs，此迁移率比通常晶体管结构的要大。

实施例2

选用聚[9，9—二辛基芴—9，9—(双(3‘-(N，N—二甲基)—N—乙基铵)丙基)芴]二溴(PFNBr)聚合物电解质，制备薄膜晶体管(条件同实施例1)。

聚[9，9—二辛基芴—9，9—(双(3‘-(N，N—二甲基)—N—乙基铵)丙基)芴]二溴的化学结构式为

图4和图5分别给出了利用PFNBr作为聚电解质层的薄膜晶体管输出特性曲线和转移特性曲线。输出电流呈饱和趋势，晶体管阈值电压约-1.2V，是空穴载流子传输特性，在栅极偏压等于-3V时输出电流达到了0.3mA，计算得到的迁移率约为0.1cm²/Vs。可见，输出电流和迁移率大小与电解质绝缘层的化学结构有关。

Claims (4)

1.一种聚合物电解质薄膜晶体管，其特征在于由衬底(1)，源漏电极(2)，半导体有源层(3)，聚合物电解质层(4)和栅极电极(5)依次层叠构成；所述的聚合物电解质层(4)的材料含有芴基化学结构单元，且单元中含极性基团或离子性基团的化学组分；所述芴基化学结构单元的化学结构式为：

其中R1，R2为带有烷基、胺基、季铵盐基、腈基、羧基、磺酸基和磷酸基中一个或多个的侧链。

2.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于所述的衬底(1)的材料是玻璃、二氧化硅、氮化硅或有机高分子绝缘材料。

3.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于所述的源漏电极(2)的材料成分是金属、高掺杂的硅无机导电材料、聚乙炔或聚苯胺。

4.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于所述的半导体有源层(3)的材料为并五苯、聚噻吩、聚芴、聚咔唑、并五苯齐聚物、并五苯金属配合物、并五苯金属螯合物、聚噻吩齐聚物、聚噻吩金属配合物、聚噻吩金属螯合物、聚芴齐聚物、聚芴金属配合物、聚芴金属螯合物、聚咔唑齐聚物、聚咔唑金属配合物或聚咔唑金属螯合物。

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