CN101101967A - 低成本高性能有机场效应晶体管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种低成本高性能有机场效应晶体管及制备方法,涉及有机场效应晶体管技术,该有机场效应晶体管为下电极结构,其源漏电极,是由具有低功函的材料构成,包括银或铜,在源漏电极和有机半导体的接触面形成有有机电荷转移复合盐层;其制备方法是:在衬底上沉积栅极电极和绝缘层,再在绝缘层上沉积源漏电极;对源漏电极进行修饰,使其上表面覆着一有机电荷转移复合盐层;再在复合盐层上沉积有机半导体材料。本发明的有机场效应晶体管,其金属下电极与半导体有良好的接触,保证了载流子的有效注入,本发明方法可以实现高性能、低成本有机场效应晶体管制备。
Description
技术领域
本发明涉及有机场效应晶体管技术领域,特别涉及一种制备新型低成本高性能有机场效应晶体管的方法,是一种采用低成本的金属作为电极的有机场效应晶体管。
背景技术
自从上世纪80年代发明(Tsumura,A.;Koezuka,H.;Ando,T.Appl.Phys.Lett.1986,49,1210)有机场效应晶体管以来,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的广泛研究兴趣。与无机晶体管相比,有机场效应晶体管具有制备工艺简单、成本低廉、重量轻、柔韧性好等优点。近几年来,有机场效应晶体管不论在新型稳定的有机半导体材料设计合成以及器件制备等各方面均取得了长足的发展。基于有机半导体的场效应晶体管的性能已经达到和无定形硅器件性能相媲美程度(Nelson,S.F.;Lin,Y.Y.;Gundlach,D.J.;Jackson,T.N.Appl.Phys.Lett.1998,72,1854),同时人们通过各种方法不断改进器件的结构从而实现高性能和低成本的目的。
低成本是有机场效应晶体管相对与无机器件的独特优势,这也为有机器件的研制提供了动力。目前,为了保证载流子的有效注入(特别是P型有机场效应晶体管)一般采用金作为有机场效应晶体管的电极,这很大程度上提高了器件的成本。但是如果采用低成本的金属作为电极,很难保证载流子的有效注入,从而降低了有机场效应晶体管的性能。此外,有机场效应晶体管有两种结构:上电极结构和下电极结构。一般而言,上电极结构具备和半导体的良好接触,但是很难结合传统的光刻技术来实现大规模制备,下电极结构可以利用光刻技术,但是不能保证电极和有机半导体的接触。这使得改进有机场效应晶体管的下电极结构的接触成了人们的研究热点。Ioannis Kymissis和David J.Gundlach分别采用十六烷基硫醇和4-硝基苯硫醇修饰金电极得到了高性能下电极结构有机场效应晶体管,(1:Kymissis,I.;Dimitrakopoulos,C.D.;Purushothaman,S.IEEETransactions on electron devices.2001,48,1060.2:Gundlach,D.J.;Jia,L.L.;Jackson,T.N.IEEE electron device letters,2001,22,571.)但是该结构仍然基于成本昂贵的金作为电极。最近,Beng S.Ong等开发了采用打印的经修饰银纳米粒子作为有机场效应晶体管的电极,制备了和金上电极结构性能相当的高性能器件。(Wu Y.L.;Li,Y.N.;Ong,B.S.JACS 2006,128,4202)该研究制备的高性能低成本的下电极有机场效应晶体管引起人们的极大兴趣。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对低功函的金属电极进行修饰的方法,可使金属下电极与半导体有良好的接触,保证载流子的有效注入。
本发明的另一目的在于基于上述修饰方法,制备一种可以实现高性能、低成本的下电极结构的有机场效应晶体管。
为了实现上述目的,本发明的技术方案是提供一种低成本高性能有机场效应晶体管,为下电极结构,包括衬底、栅极电极、绝缘层、源漏电极和有机半导体;其源漏电极,是由具有低功函的材料构成,包括银或铜,在源漏电极和有机半导体的接触面形成有有机电荷转移复合盐层。
一种所述的有机场效应晶体管的制备方法,先按常规在衬底上顺序沉积栅极电极和绝缘层,再制作源漏电极;其后续包括以下步骤:
第一步,源漏电极的沉积:
将沉积有栅极电极和绝缘层的衬底,用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗后烘箱烘干,然后经十八烷基氯硅烷(OTS)修饰,之后用正庚烷、乙醇、丙酮超声清洗,然后制备至少一层金属银或铜,构成源漏电极;
第二步,源漏电极的修饰:
将7,7,8,8-四氰基醌二甲烷(TCNQ)的乙腈溶液滴于沉积好电极的绝缘层上,1~5秒后甩干,然后经乙腈冲洗后,得到修饰后具有有机电荷转移复合盐层的源漏电极;
第三步,有机半导体材料的沉积:
将制备好下电极结构的晶体管上,采用有机物成膜方法得到厚度为10~150纳米的有机层;
第四步,器件测试:
将制备好的下电极结构有机场效应晶体管,在大气环境下(105Pa)室温(298K)测试后,得成品。
所述的有机场效应晶体管的制备方法,其所述第一步中,制备至少一层金属,是用真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积或印刷各种沉积方法中的一种,制备至少一层金属银或铜。
所述的有机场效应晶体管的制备方法,其所述金属银或铜层,其厚度为30~300纳米。
所述的有机场效应晶体管的制备方法,其所述烘箱烘干,是于393K温度下烘干。
所述的有机场效应晶体管的制备方法,其所述7,7,8,8-四氰基醌二甲烷(TCNQ)的乙腈溶液,其浓度为0.1mM~20mM。
所述的有机场效应晶体管的制备方法,其所述有机层,是由有机小分子材料、高分子聚合物材料或它们的混合物构成;成膜方法,是用真空蒸镀、甩膜、滴膜、印刷各种方法中的一种。
本发明有具有以下特点和优点:
1:本发明制备的有机场效应晶体管可以采用低功函、低成本的银和铜作为晶体管的源漏电极,很大程度上降低了有机场效应晶体管的成本。
2:本发明公开的采用对银和铜进行修饰作为电极的方法,工艺简单,成本低廉。
3:本发明制备的下电极结构有机场效应晶体管可以得到和金上电极结构相当的高性能,与上电极结构相比,更容易结合光刻技术实现大规模制备。
附图说明:
图1:为本发明有机场效应晶体管的有机材料分子式;
图2:有机场效应晶体管上电极结构和下电极结构示意图,其中,图2(a)为上电极结构示意图,图2(b)为下电极结构示意图;
图3:为本发明的有机场效应晶体管的的制备流程图,其中,图3(a)为向经过十八烷基氯硅烷修饰的二氧化硅的衬底上沉积源漏电极,图3(b)为向制备好源漏电极的衬底上滴TCNQ的乙腈溶液,图3(c)为向修饰好电极的衬底上沉积有机半导体,图3(d)为制备好的有机场效应器件示意图;
图4:为本发明有机场效应晶体管的源漏电极结构扫描电镜照片,其中,图4(a)为电极为Ag-TCNQ扫描电子显微镜图,图4(b)为沉积有机半导体之后的扫描电子显微镜图;
图5:为本发明的基于并五苯的下电极有机场效应晶体管的输出曲线和转移曲线图,其中,图5(a)为输出曲线图,图5(b)为源漏电压为-60V时的转移曲线图;
图6:为本发明的基于酞菁铜的下电极有机场效应晶体管的输出曲线和转移曲线图,其中,图6(a)为输出曲线图,图6(b)为源漏电压为-60V时的转移曲线图。
具体实施方式
一种对低功函的源漏电极的溶液修饰方法,从而制备具有良好金属半导体接触的有机场效应晶体管,为下电极结构,包括衬底、栅极电极、绝缘层、源漏电极和有机半导体;其在沉积有栅极电极、绝缘层的衬底上构筑源漏电极,经修饰后沉积有机半导体。
所述的有机场效应晶体管,其所述衬底,是由玻璃、陶瓷、聚合物、硅片其中之一制成。
所述的有机场效应晶体管,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。
所述的有机场效应晶体管,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。
所述的有机场效应晶体管,其所述源漏电极,是由具有低功函的材料构成,包括银、铜,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、印刷等各种沉积方法。
所述的有机场效应晶体管,其所述有机半导体是具有场效应性能的有机材料,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。
所述的有机场效应晶体管的制备方法,包括以下步骤:
第一步,源漏电极的沉积制备
将沉积有栅极电极和绝缘层的衬底经去离子水、乙醇、丙酮超声清洗后烘箱烘干,然后经十八烷基氯硅烷(OTS)修饰,之后用正庚烷、乙醇、丙酮超声清洗,然后蒸镀至少一层金属。
第二步,源漏电极的修饰
将7,7,8,8-四氰基醌二甲烷(TCNQ)的乙腈溶液(5mM)滴于沉积好电极的衬底上,之后快速甩干,然后经乙腈冲洗后得到修饰后具有有机电荷转移复合盐层的源漏电极。
第三步,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,采用有机物成膜方法得到厚度为10~150纳米的有机层;将制备好的下电极结构有机场效应晶体管,在大气环境下室温下测试后,得成品。
所述的有机场效应晶体管的制备方法,其所述源漏电极为金属银和铜;
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,其所述有机物成膜方法,为真空蒸镀、甩膜、滴膜、印刷;有机物为聚合物时,采用甩膜、滴膜、印刷;为小分子时真空蒸镀、甩膜、滴膜、印刷。
实施例1:
图1所示的是用于制备本发明的有机材料的分子式,为并五苯(pentacene)、酞菁铜(CuPc)和7,7,8,8-四氰基醌二甲烷(TCNQ)。
图2有机场效应晶体管上电极结构和下电极结构示意图;
图3所示的为本发明的下电极结构有机场效应晶体管的制备流程图;其中,图3(a)为向经过十八烷基氯硅烷修饰的二氧化硅的衬底上沉积源漏电极,图3(b)为向制备好源漏电极的衬底上滴TCNQ的乙腈溶液,图3(c)为向修饰好电极的衬底上沉积有机半导体,图3(d)为制备好的有机场效应器件示意图。
图4为制备器件的扫描电子显微镜图,其中,图4(a)为电极为Ag-TCNQ扫描电子显微镜图,图4(b) 为沉积有机半导体之后的扫描电子显微镜图。
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。电极可由银或铜组成。有机层可为单层、双层,可以是一种材料也可是混合材料。
下面举例对电极为Ag-TCNQ,基于并五苯的有机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,绝缘层的界面修饰和源漏电极的沉积制备
将沉积有栅极电极和绝缘层的衬底经去离子水、乙醇、丙酮各超声清洗十分钟后烘箱烘干,将清洗后的衬底置于滴有十八烷基氯硅烷(OTS)的培养皿中,之后在1Pa的真空度和393K下烘3小时,然后用正庚烷、乙醇、丙酮超声清洗,最后蒸镀至少一层金属。
第二步,源漏电极的修饰
将5mM的TCNQ的乙腈溶液(其浓度为0.1mM~20mM)滴于沉积好电极的衬底上,之后快速甩干(1~5秒),然后经乙腈冲洗后得到修饰后的电极。
第三步,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衬底置于真空镀膜机内,在真空度为4×10-4pa的条件下以1/s的速度蒸镀并五苯,厚度为50纳米。之后利用HP4140B半导体测试仪在大气环境下室温下对器件性能进行测试。基于该结构的并五苯迁移率为0.18cm2V-1s-1,开关比为105。该性能与相同条件下以金作为电极的器件性能相当。
参见表格1,相同条件下以各种不同金属作为电极的并五苯有机场效应晶体管性能参数。
表格1:并五苯有机场效应晶体管性能参数:
金电极 | 银电极 | 铜电极 | ||||
上电极结构 | 下电极结构 | Ag-TCNQ | Ag | Cu-TCNQ | Cu | |
迁移率 | 0.15 | 0.1 | 0.18 | 0.02 | 0.056 | 0.001 |
开关比 | 106 | 105 | 105 | 104 | 106 | 103 |
参见图5,是以Ag-TCNQ为源漏电极,以并五苯为有机半导体的有机场效应晶体管的输出曲线和转移曲线图,其中,图5(a)的输出曲线,图图5(b) 为源漏电压为-60V时的转移曲线。
实施例2:
按实施例1的制备,唯一不同的是以Cu-TCNQ作为源漏电极,基于并五苯的场效应迁移率为0.056cm2V-1s-1,开关比为106。
参见图6,是以Cu-TCNQ为源漏电极,以并五苯为有机半导体的有机场效应晶体管的输出曲线和转移曲线图,其中,图6(a)的输出曲线,图6(b)为源漏电压为-60V时的转移曲线。
实施例3:
按实施例1的制备,唯一不同的是采用CuPc作为有机半导体,基于CuPc的迁移率为0.016cm2V-1s-1,开关比为106。
参见表格2,相同条件下以各种不同金属作为电极的酞菁铜有机场效应晶体管性能参数。
表格2:酞菁铜有机场效应晶体管性能参数:
金电极 | 银电极 | 铜电极 | ||||
上电极结构 | 下电极结构 | Ag-TCNQ | Ag | Cu-TCNQ | Cu | |
迁移率 | 0.015 | 0.001 | 0.016 | 0.0009 | 0.004 | 0.0002 |
开关比 | 106 | 104 | 106 | 106 | 104 | 103 |
实施例4:
按实施例2的制备,唯一不同的是采用CuPc作为有机半导体,基于CuPc的迁移率为0.004cm2V-1s-1,开关比为104。
Claims (7)
1、一种低成本高性能有机场效应晶体管,为下电极结构,包括衬底、栅极电极、绝缘层、源漏电极和有机半导体;其特征在于,源漏电极,是由具有低功函的材料构成,包括银或铜,在源漏电极和有机半导体的接触面形成有有机电荷转移复合盐层。
2、一种如权利要求1所述的有机场效应晶体管的制备方法,先按常规在衬底上顺序沉积栅极电极和绝缘层,再制作源漏电极;其特征在于,后续包括以下步骤:
第一步,源漏电极的沉积:
将沉积有栅极电极和绝缘层的衬底,用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗后烘箱烘干,然后经十八烷基氯硅烷(OTS)修饰,之后用正庚烷、乙醇、丙酮超声清洗,然后制备至少一层金属银或铜,构成源漏电极;
第二步,源漏电极的修饰:
将7,7,8,8-四氰基醌二甲烷(TCNQ)的乙腈溶液滴于沉积好电极的绝缘层上,1~5秒后甩干,然后经乙腈冲洗后,得到修饰后具有有机电荷转移复合盐层的源漏电极;
第三步,有机半导体材料的沉积:
将制备好下电极结构的晶体管上,采用有机物成膜方法得到厚度为10~150纳米的有机层;
第四步,器件测试:
将制备好的下电极结构有机场效应晶体管,在大气环境下室温测试后,得成品。
3、如权利要求2所述的有机场效应晶体管的制备方法,其特征在于,所述第一步中,制备至少一层金属,是用真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积或印刷各种沉积方法中的一种,制备至少一层金属银或铜。
4、如权利要求2或3所述的有机场效应晶体管的制备方法,其特征在于,所述金属银或铜层,其厚度为30~300纳米。
5、如权利要求2所述的有机场效应晶体管的制备方法,其特征在于,所述烘箱烘干,是于393K温度下烘干。
6、如权利要求2所述的有机场效应晶体管的制备方法,其特征在于,所述7,7,8,8-四氰基醌二甲烷(TCNQ)的乙腈溶液,其浓度为0.1mM~20mM。
7、如权利要求2所述的有机场效应晶体管的制备方法,其特征在于,所述有机层,是由有机小分子材料、高分子聚合物材料或它们的混合物构成;成膜方法,是用真空蒸镀、甩膜、滴膜、印刷各种方法中的一种。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20080109 |