CN101097992A

CN101097992A - 一种有机发光场效应晶体管

Info

Publication number: CN101097992A
Application number: CNA2006100894480A
Authority: CN
Inventors: 于贵; 狄重安; 徐新军; 刘云圻; 朱道本
Original assignee: Institute of Chemistry CAS
Current assignee: Institute of Chemistry CAS
Priority date: 2006-06-28
Filing date: 2006-06-28
Publication date: 2008-01-02
Anticipated expiration: 2026-06-28
Also published as: CN100487941C

Abstract

一种有机发光场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：A)在衬底上进行匀胶、曝光、显影、蒸镀至少一层金属、剥离，得到图案化的栅极电极；将栅极图案化以后的衬底采用绝缘层成膜方式沉积至少一层绝缘层；然后按照上述方法构筑源电极、第二层绝缘层和漏电极；其中源电极为高功函的金属，漏电极为低功函的金属，得到分别由不同功函金属作为源漏电极的下电极结构；在步骤A制备的下电极结构上，以一定倾角沉积有机场效应材料，使有机场效应材料和漏电极之间存在1～100纳米的狭缝，然后以相反方向采用有机物成膜方法沉积有机电致发光材料，得到平行排列的有机半导体异质结。

Description

一种有机发光场效应晶体管

技术领域

本发明涉及发光有机场效应晶体管技术领域，具体涉及一种新型水平有机半导体异质结构筑方法，及一种可在空气中发光、低操作电压的有机发光场效应晶体管结构。

背景技术

自从上世纪80年代发明高效的有机电致发光器件和有机场效应晶体管以来，(1：Tang，C.W.；Vanslyke，S.A.Appl.Phys.Lett.1987，51，913.2：Burroughs，J.H.；Jones，H.Nature 1990，335，137.3：Tsumura，A.；Koezuka，H.；Ando，T.Appl.Phys.Lett.1986，49，1210)有机光电器件由于他们在有源矩阵显示、有机集成电路、电子商标等方面的潜在应用价值得到了人们的广泛关注并在性能和产业化等诸方面都取得了长足的发展。与无机器件相比，有机光电器件具有低成本，重量轻，柔韧性好等特点。近年来，有机场效应晶体管取得了长足的发展。其中并五苯的场效应迁移率已经超过1.5cm²V^-1s^-1(Nelson，S.F.；Lin，Y.Y.；Gundlach，D.J.；Jackson，T.N.Appl.Phys.Lett.1998，72，1854)，已经可以和无定形硅相媲美。同时，高效率、长寿命的有机电致发光器件也已市场化。为了真正实现低成本的柔性显示，近年来，有机场效应晶体管驱动的有机发光二极管已成为人们的研究热点，但是目前报道方法的工艺比较复杂。

有机发光场效应晶体管是一种将有机发光二极管和有机场效应晶体管集成于一体的器件，可以在同一器件中实现电开关和光发射的集成，(1：Hepp，A.；Heil，H.；Weise，W.；Ahles，M.；Schmechel，R.；Seggern，H.V.Phys.Rev.Lett.2003，91，157406.2：Ahles，M.；Hepp，A.；Schmechel，R.；Seggern，H.V.Appl.Phys.Lett.2004，84，428.)它最大程度上简化了器件制备工艺，成本低廉，有广阔的前景。自从2003年有机发光场效应晶体管的报道以来，在有机半导体材料的合成制备和器件结构的改进都取得了很大的进展。人们已经观测到多种场效应材料的发光，并且发现可以通过共蒸P型和N型有机半导体材料、在有机场效应材料中掺杂发光材料、减小沟道长度以及引入低功函金属作为电极来实现有机电致发光和场效应的集成。但是目前报道的有机发光场效应晶体管均是在手套箱或真空中测得，这是由于目前报道的有机场效应晶体管的有机半导体为场效应材料，很难实现在空气中的稳定发光。这在很大程度限制了有机发光场效应晶体管的进一步发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可在空气中发光的有机发光场效应晶体管的制备方法。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是通过两次倾斜蒸镀的方法在沟道内构筑场效应和发光材料的异质结，从而制备有机发光场效应晶体管，实现在同一沟道内发光和电开关双重功能。

本发明的制备方法，包括以下步骤：

A)下电极结构的制备

在衬底上进行匀胶、曝光、显影、蒸镀至少一层金属、剥离，得到图案化的栅极电极；将栅极图案化以后的衬底采用绝缘层成膜方式沉积至少一层绝缘层；然后按照上述方法构筑源电极、第二层绝缘层和漏电极；其中源电极为高功函的金属，漏电极为低功函的金属，得到分别由不同功函金属作为源漏电极的下电极结构；

B)有机半导体材料的沉积

在步骤A制备的下电极结构上，以一定倾角沉积有机场效应材料，使有机场效应材料和漏电极之间存在1～100纳米的狭缝，然后以相反方向采用有机物成膜方法沉积有机电致发光材料，得到平行排列的有机半导体异质结；

其中有机场效应材料为并五苯；其结构式如式1所示；

其中有机电致发光材料为3-(8-羟基喹啉)铝，其结构式如式2所示；

式1

式2。

所述的制备方法，其中高功函的金属为金、银或氧化铟锡；低功函的金属为银、铜、铝、镁或氧化铟锡。

所述的制备方法，其中衬底为玻璃、陶瓷或聚合物。

所述的制备方法，其中沉积方法为真空热蒸镀、磁控溅射或等离子体增强的化学气相沉积。

所述的制备方法，其中绝缘材料为无机绝缘材料和有机绝缘材料。

所述的制备方法，其中绝缘层的制备为等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、甩膜或真空蒸镀。

所述的制备方法，其中有机场效应材料和有机电致发光材料的厚度均为30～100纳米。

详细地说，本发明的有机发光场效应晶体管，其器件包括衬底、栅极电极、绝缘层、源漏电极、有机半导体；其在衬底上沉积和图案化栅极、绝缘层、源漏电极以后，顺次以一定角度蒸镀有机场效应材料和有机电致发光材料。

所述的有机发光场效应晶体管，其所述衬底，是由玻璃、陶瓷、聚合物其中之一制成。

所述的有机发光场效应晶体管，其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、合金材料、金属氧化物(如氧化铟锡)导电材料以及导电聚合物等，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。

所述的有机发光场效应晶体管，其所述源漏电极由不同金属构成，其中源电极可以为高功函的金属组成包括金、银等金属、合金材料、金属氧化物(如氧化铟锡)导电材料以及导电聚合物等，漏电极可以为低功函的金属组成，包括银、铜、铝、镁等各种金属、合金材料、金属氧化物(如氧化铟锡)导电材料以及导电聚合物等，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。

所述的有机发光场效应晶体管，其所述绝缘材料具有良好的介电性能，包括无机绝缘材料二氧化硅、氮化硅和有机绝缘材料，制备方法可以是等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、甩膜或真空蒸镀等。

所述的有机发光场效应晶体管，其所述的以一定角度为0～90°，使得有机场效应材料和漏电极之间存在1～100纳米的狭缝。

所述的有机发光场效应晶体管，其所述的有机场效应材料，包括单种有机小分子材料及它们混合物，成膜方式可以是真空蒸镀等技术。

所述的有机发光场效应晶体管，其所述的有机发光材料，包括有机小分子材料、高分子聚合物材料或它们混合物，成膜方式可以是真空蒸镀、甩膜、滴膜、印刷等技术。

所述的有机发光场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：

第一步，下电极结构的制备

用乙醇、丙酮超声清洗、去离子水冲洗的衬底，经氮气吹干和烘箱烘干，之后匀胶、曝光、显影、蒸镀至少一层金属、剥离，得到图案化的栅极电极；将栅极图案化以后的衬底采用绝缘层成膜方式沉积至少一层绝缘层；然后按照上述方法构筑源电极、第二层绝缘层和漏电极，得到分别由不同功函金属作为源漏电极的下电极结构。

第二步，有机半导体材料的沉积及器件测试：

将制备好的下电极结构晶体管上，以一定倾角真空蒸镀有机场效应材料，厚度为30～100纳米，然后在相反方向采用有机物成膜方法沉积30～100纳米有机发光材料。将制备好的非平面沟道场效应晶体管，在大气环境、室温下进行性能测试。

所述的有机场效应晶体管的制备方法，其所述的下电极结构为源漏电极不在同一水平面上并由不同功函的金属构成。

所述的有机场效应晶体管的制备方法，其所述金属层的厚度为30～300纳米；

所述的有机场效应晶体管的制备方法，其所述沟道长度0.3～150微米。

所述的有机场效应晶体管的制备方法，其所述有机物成膜方法，为真空蒸镀、甩膜、滴膜、印刷。

本发明具有以下特点和优点：

1：本发明制备有机发光场效应晶体管在沟道内构筑有机场效应材料和有机电致发光材料的异质结，充分利用了两类材料在电场调控载流子传输和发光的优势，得到相对高效稳定的发光。

2：本发明制备有机发光场效应晶体管在沟道内的漏极附近构筑纳米尺度宽的狭缝，之后沉积和漏电极能级相匹配有机发光材料，保证了电子的有效注入、传输及载流子的复合发光。

附图说明

图1为本发明的有机发光场效应晶体管的的制备流程图；其中：

图1(a)为向制备好的电极的衬底上以一定角度真空沉积有机场效应材料并五苯；

图1(b)为沉积并五苯后器件结构示意图；

图1(c)为相反方向蒸镀有机电致发光材料；

图1(d)制备好的有机发光场效应晶体管示意图；

图1(e)为向沉积有并五苯的衬底上旋涂聚合物；

图1(f)为制备的聚合物发光的有机发光场效应晶体管。

图2为本发明的有机发光场效应晶体管的制备器件的原子力显微镜图。其中：图2(a)为原子力显微镜侧面剖析图；图2(b)为原子力显微镜俯视图。

图3为本发明的有机发光场效应晶体管的电流输出曲线、光功率输出曲线和转移曲线图；其中，图3(a)为晶体管的电流输出曲线，图3(b)为晶体管的光功率输出曲线，图3(c)为晶体管的转移曲线。

图4为本发明的有机发光场效应晶体管的发光的电致发光光谱。

图5为本发明的有机发光场效应晶体管的以TPA-PPV为发光层的光输出转移曲线。

具体实施方式

实施例1：

图1所示为本发明的非平面沟道场效应晶体管的制备流程图；其中，

图1(b)为沉积并五苯后器件结构示意图；

图1(c)为相反方向蒸镀有机电致发光材料；

图1(d)制备好的有机发光场效应晶体管示意图；

图1(e)为向沉积有并五苯的衬底上旋涂聚合物；

图1(f)为制备的聚合物发光的有机发光场效应晶体管。

本发明的一种场效应晶体管依次包括衬底、绝缘层、栅极电极、源漏电极、有机层。其中衬底可由以下材料制成：玻璃、陶瓷、聚合物、硅片其中之一制成。绝缘层可为无机绝缘层和有机绝缘层，包括二氧化硅、氮化硅、聚乙烯醇等。电极可由金、银、铝、铜、镁等各种金属、合金材料、氧化物(如氧化铟锡)以及导电聚合物等导电材料组成。有机层可为双层，包括一种有机场效应材料和一种有机电致发光材料。

图2为制备器件的漏极附近原子力显微镜图。下面举例对沟道长度为6微米，源漏电极分别为金铝电极，有机半导体为并五苯和3-(8-羟基喹啉)铝的有机发光场效应晶体管的制备加以说明，但本发明并不局限于此。

第一步，下电极结构的制备

将硅片经乙醇、丙酮超声、去离子水冲洗、氮气吹干后，烘干，将硅衬底置于等离子体增强的化学气相沉积系统内，分别沉积二氧化硅和氮化硅，厚度分别为150纳米，之后甩涂光刻胶，烘干后曝光，然后采用显影液显影，将该衬底置于真空系统内，在2×10^-4Pa的真空条件下，蒸镀金电极，厚度为100纳米，最后采用丙酮、乙醇超声、去离子水冲洗后(剥离)吹干，得到图案化的栅极电极。将制备好栅极的衬底置于等离子体增强的化学气相沉积系统内，分别沉积二氧化硅和氮化硅，厚度分别为150纳米。然后按照上述步骤顺次构筑源电极、第二层绝缘层和漏电极，得到分别由不同功函金属作为源漏电极的下电极结构。

第二步，有机半导体层的制备及测试

在真空度为4×10^-4Pa的条件下以与衬底成45°方向以2/s的速度蒸镀并五苯，厚度为80纳米，之后从相反方向在真空度为4×10^-4Pa的条件下以2/s的速度蒸镀3-(8-基喹啉)铝，之后利用HP4140B半导体测试仪、Newport 2835-C多功能光功率计和PR650对器件性能进行测试。

图2为本实施例的沟道长度为6微米，源漏电极分别为金铝电极的有机发光场效应晶体管的原子力显微镜图，其中图2(a)为原子力显微镜侧面剖析图；图2(b)为原子力显微镜俯视图。

图3是本实施例的沟道长度为6微米，源漏电极分别为金铝电极，有机半导体为并五苯和8-羟基喹啉铝的有机发光场效应晶体管的电流输出曲线、光功率输出曲线和转移曲线图，其中，图3(a)是晶体管的电流输出曲线，图3(b)为晶体管的光功率输出曲线，图3(c)为晶体管的转移曲线。

实施例2：

按实施例1的制备，不同的是并五苯的厚度为100纳米并且以2000转/分钟的速度旋涂TPA-PPV作为有机电致发光材料。制备了聚合物发光的有机发光场效应晶体管。

图5是本实施例的沟道长度为6微米，源漏电极分别为金铝电极，有机半导体为并五苯和TPA-PPV的有机发光场效应晶体管的光功率输出曲线。

Claims

1、一种有机发光场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：

A)下电极结构的制备

B)有机半导体材料的沉积

其中有机场效应材料为并五苯；其结构式如式1所示；

2、如权利要求1所述的制备方法，其中高功函的金属为金、银或氧化铟锡；低功函的金属为银、铜、铝、镁或氧化铟锡。

3、如权利要求1所述的制备方法，其中衬底为玻璃、陶瓷或聚合物。

4、如权利要求1所述的制备方法，其中沉积方法为真空热蒸镀、磁控溅射或等离子体增强的化学气相沉积。

5、如权利要求1所述的制备方法，其中绝缘材料为无机绝缘材料和有机绝缘材料。

6、如权利要求1所述的制备方法，其中绝缘层的制备为等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、甩膜或真空蒸镀。

7、如权利要求1所述的制备方法，其中有机场效应材料和有机电致发光材料的厚度均为30～100纳米。