CN101107716B - 有机薄膜晶体管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括有机层的有机薄膜晶体管，所述有机层包含有助于半导体层和电极之间欧姆接触的有机化合物，并且用作半导体层。根据本发明的有机薄膜晶体管在半导体层和源极/漏极之间具有优异的电接触，从而可广泛地用作用于电气/电子器件的元件。因此，价廉且加工性优异的材料，即使其作为材料具有低功函，也可以用作有机薄膜晶体管中的源极或漏极的材料。

Description

有机薄膜晶体管
技术领域
本发明涉及一种有机薄膜晶体管，更具体而言，涉及一种包括有机层的薄膜晶体管，所述有机层包含有助于半导体层和电极之间欧姆接触的有机化合物，并且用作半导体层。
本申请要求获得在韩国知识产权局分别于2005年6月30日和2005年11月11日提交的韩国专利申请号10-2005-0057717和10-2005-0107940的权益，其公开内容在此全部引入作为参考。
背景技术
薄膜场效应晶体管(FET)是微电子学领域中的基本构件。这些FET具有三个电极(例如，源极、漏极和栅极)、绝缘层和半导体层。FET起到电容器的作用，其中，半导体层为两电极即源极和漏极之间的导电沟道。沟道中电荷载流子的密度通过施加于栅极的电压进行调节，因此，源极和漏极之间的电荷流动可以通过施加于栅极的电压来控制。
近来，越来越大的兴趣集中在使用有机半导体材料的FET的开发。在FET中使用有机半导体材料时，可通过印刷方法，如丝网印刷、喷墨印刷或微接触印刷制造电子器件。另外，与一般的无机半导体材料相比，这些材料可以在更低的基板温度下、在少许或无真空情况下进行加工。因此，与使用无机半导体材料的电子器件相比，使用有机半导体材料的包括FET的电子器件可更容易地且以更低成本制备。
自二十世纪八十年代以来，已对不同类型的有机材料，如小分子、聚合物和低聚物进行了研究，以用作FET中的有机半导体材料。在该领域的一致努力下，在FET中的电荷载流子的迁移率方面，有机FET 的性能已从10-5cm2/Vs提高到1cm2/Vs(J.M.Shaw，P.F.Seidler，IBM J.Res.& Dev.，Vol.45，3(2001))。现在，有机薄膜晶体管的性能可与非晶硅晶体管的水平相当，所以，有机薄膜晶体管可应用于电子纸、智能卡和显示器件。
可使用半导体有机材料制备的重要电子器件，包括有机发光二极管、有机太阳能电池以及有机晶体管。在这些器件中，半导体有机材料和电极之间的电接触对于提高这些器件的性能是至关重要的。例如，将电荷载流子注入层，如空穴注入层和电子注入层插入半导体层和电极之间以提高有机发光二极管的性能。即使有机晶体管的工作方式不同于有机发光二极管的工作方式，半导体层与源极和漏极之间的电接触对于有机晶体管的性能仍具有深远的影响。
已报道，有机晶体管的性能取决于源/漏极材料(Y.Y.Lin等，Materials Research Society Symposium Proceedings(1996)，413(Electrical，Optical，and Magnetic Properties of Organic Solid StateMaterials III)，413-418.CODEN：MRSPDH ISSN：0272-9172)。根据该报道，高功函金属(例如，Pd、Pt和Au)表现出优异性能，而具有相对较低功函的金属(例如，Al)表现出显著降低的性能。因此，在大多数有机晶体管中已使用高功函金属，如金作为源/漏极。
然而，这种具有高功函的金属(为贵重金属)昂贵且难于使用工业方法加工，因此限制了其在有机晶体管中的应用方法和应用结构。
发明内容
技术问题
因此，本发明人已经研究出一种能改善有机薄膜晶体管中半导体层与源极或漏极之间电接触的方法。而且，本发明人已经研究出一种使用价廉材料用于有机薄膜晶体管的源极或漏极的方法。即，他们已经对即使具有低功函也可以用作有机薄膜晶体管的源极或漏极材料的价廉材料进行了研究。
本发明的优点在于，其提供了包括有机层的有机薄膜晶体管，所述有机层包含有助于半导体层和电极之间欧姆接触的有机化合物，并且用作半导体层，一种制备该有机薄膜晶体管的方法以及一种包括该有机薄膜晶体管的电子器件。
技术方案
根据本发明的技术方案，一种有机薄膜晶体管，其包括栅极、绝缘层、源极、漏极和包括半导体层的至少一层有机层，其中，有机层的至少一层包含由下述化学式1表示的化合物。包含由化学式1表示的化合物的有机层可以为半导体层，或者为与半导体层分开形成且在半导体层与源极和漏极中的至少一个电极之间形成的有机层：
Figure DEST_PATH_GA20170654200680003266501D00011
其中m和n各为1或2，
l为0或1，
X1和X2各自独立地为CH或N，
Y1和Y2各自独立地在n＝1的情况下为NR0，且在n＝2的情况下为N，其中R0选自包括氢、取代或未取代的烷基和取代或未取代的芳基的组，
R1～R8彼此相同或不同，且各自独立地选自包括氢、取代或未取代的烷基、取代或未取代的烷氧基、取代或未取代的链烯基、取代或未取代的芳基、取代或未取代的芳基胺基、取代或未取代的杂环基、取代或未取代的硅烷基(silane group)、取代或未取代的硼基团(borongroup)、取代或未取代的脂族环基、腈基(-CN)、硝基(-NO2)、卤素基团(halogen group)、酰胺基团(amide group)(-NHCOR，-CONHR，-CONRR’)、酯基(-COOR)、磺酰基(-SO2R)、亚砜基(-SOR)、氨磺酰基(-SO2NRR′)、磺酸酯基(-SO3R)、三氟甲基(-CF3)、胺基(-NHR，-NRR′)和-L-M的组，以及其可与相邻基团键合形成芳香、脂族或杂环稠环，
L为未取代或由选自包括胺基(-NHR，-NRR′)、酰胺基团(-NHCOR，-CONHR，-CONRR′)、醚基(-COR)和酯基(-COOR)的组的至少一种基团取代的C1-C60亚烷基；未取代或由选自包括胺基(-NHR，-NRR′)、酰胺基团(-NHCOR，-CONHR，-CONRR′)、醚基(-COR)和酯基(-COOR)的组的至少一种基团取代的C6-C60亚芳基；或者未取代或由选自包括胺基(-NHR，-NRR′)、酰胺基团(-NHCOR，-CONHR，-CONRR′)、醚基(-COR)和酯基(-COOR)的组的至少一种基团取代的5～7元杂环基，
M选自包括醇基(-OH)、巯基(-SH)、磷酸酯基(-PO3H)、胺基(-NHR、-NRR′)、取代或未取代的聚烯烃、取代或未取代的聚乙烯、取代或未取代的聚丙烯酸酯、取代或未取代的聚噻吩、取代或未取代的聚吡咯和取代或未取代的聚苯胺的组，以及
R和R′彼此相同或不同，且各自独立地为氢、取代或未取代的C1-C60烷基、取代或未取代的C6-C60芳基或者取代或未取代的5～7元杂环基。
优选地，化学式1中的R1～R8独立地选自本领域技术人员很好理解的取代或未取代的吸电子基团。
化学式1表示的化合物可选自由下述化学式2表示的化合物：
Figure DEST_PATH_GA20170654200680003266501D00021
其中p为0或1，
R9～R18各自独立地选自包括氢、卤素基团、腈基(-CN)、硝基(-NO2)、磺酰基(-SO2R)、亚砜基(SOR)、氨磺酰基(-SO2NRR′)、磺酸酯基(-SO3R)、三氟甲基(-CF3)、酯基(COOR)、酰胺基团(-NHCOR，-CONHR，-CONRR′)、取代或未取代的直链或支链C1-C12烷氧基、取代或未取代的直链或支链C1-C12烷基、取代或未取代的芳香或非芳香杂环基、取代或未取代的C6-C20芳基、取代或未取代的胺基(-NHR，-NRR′)和-L-M的组，并且R9和R10或R11和R12可键合在一起形成芳香环或杂环，
L为未取代或由选自包括胺基(-NHR，-NRR′)、酰胺基团(-NHCOR，-CONHR，-CONRR′)、醚基(-COR)和酯基(-COOR)的组的至少一种基团取代的C1-C60亚烷基；未取代或由选自包括胺基(-NHR，-NRR′)、酰胺基团(-NHCOR，-CONHR，-CONRR′)、醚基(-COR)和酯基(-COOR)的组的至少一种基团取代的C6-C60亚芳基；或者未取代或由选自包括胺基(-NHR，-NRR′)、酰胺基团(-NHCOR，-CONHR，-CONRR′)、醚基(-COR)和酯基(-COOR)的组的至少一种基团取代的5～7元杂环基，
M选自包括醇基(-OH)、巯基(-SH)、磷酸酯基(-PO3H)、胺基(-NHR、-NRR′)、取代或未取代的聚烯烃、取代或未取代的聚乙烯、取代或未
R和R′彼此相同或不同，且各自独立地为氢、取代或未取代的C1-C60烷基、取代或未取代的C6-C60芳基或者取代或未取代的5～7元杂环基。
下文，对上述化学式中的取代基作详细说明。
上述化学式中R0～R18的芳基的实例包括但不限于苯基、萘基、蒽基(anthracenyl)、并四苯基(tetracenyl)、并五苯基(pentacenyl)、联苯基、三联苯基、苄基、芘基、苝基(perylenyl)、晕苯基(coronenyl)等。
上述化学式中R1～R18的芳基胺基的实例包括但不限于二苯胺基、苯基萘胺基、二甲苯胺基、苯基甲苯胺基、咔唑基、三苯胺基等。
上述化学式中R1～R18的杂环基的实例包括但不限于吡啶基、吖啶基、噻吩基、咪唑基、噁唑基、噻唑基、喹啉基等。
上述化学式中R1～R18的卤素基团的实例包括氟、氯、溴和碘。
上述化学式中R1～R18的硅烷基的实例包括但不限于噻咯基(silole group)、亚甲硅基等。
上述化学式中R1～R18的卤素基团的实例包括氟、氯、溴和碘。
在上述化学式中R1～R18的取代基包含其它取代基的情况下，这些取代基可选自包括氢、烷基、烷氧基、链烯基、芳基、芳基胺基、杂环基、硅烷基、硼基团、脂族环基、氨基、腈基、硝基、卤素基团、酰胺基团、酯基和醚基的组。
由上述化学式2表示的化合物的具体实例包括但不限于下述化合物。
Figure S06803266520070730D000081
Figure S06803266520070730D000091
Figure S06803266520070730D000101
Figure S06803266520070730D000111
Figure DEST_PATH_G19820063150138000D000011
在上述化学式中，x为2～10,000,000，以及R19和R20各自独立地为取代或未取代的C1-C60烷基或者取代或未取代的C6-C60芳基。
有机薄膜晶体管为具有称为源极、漏极和栅极的三个端子的电子器件。有机薄膜晶体管存在多种结构。下文，将参照附图对根据本发 明的有机薄膜晶体管的结构作详细说明。附图中的图和说明仅为示例性目的，因而本发明的范围不限于此。
图1示出了根据本发明一个实施方式的有机薄膜晶体管的横截面图。如图1所示的有机薄膜晶体管为底栅(bottom-gate)顶接触(top-contact)结构，并且包括基板13、设置在基板上的栅极16、设置在栅极和基板上的绝缘层12、设置在绝缘层上的半导体层14以及设置在半导体层和绝缘层上的源极15和漏极11。如图1所示的有机薄膜晶体管具有包括单层有机层的结构，其中半导体层14包含化学式1表示的化合物。
图1的有机薄膜晶体管可以通过以下步骤制备：在基板13上使栅极16形成图形，在基板和栅极上形成绝缘层12，在绝缘层12上形成p-和n-型半导体层14，然后在半导体层14和绝缘层12上形成源极15和漏极11。
图2～5示出了包括双层有机层的底栅顶接触结构。在该结构中，半导体层14构成一层，并且插入半导体层14与源极和漏极的至少一个电极之间的有机层17构成另一层。有机层17包含化学式1表示的化合物。
如图2～5所示，有机薄膜晶体管为包括基板13、设置在基板上的栅极16、设置在栅极和基板上的绝缘层12、设置在绝缘层上的半导体层14以及设置在半导体层和绝缘层上的源极15和漏极11的结构，其中形成包含化学式1表示的化合物的有机层17以形成图形并插入半导体层14和源极15/漏极11之间(图2)、半导体层14和源极15之间(图3)、或者半导体层14和漏极11之间(图4)，或者与源极15和漏极11接触而不形成图形(图5)。
在包含化学式1表示的化合物的有机层17没有形成图形，并且连接在源极15和漏极11之间的情况下，关闭状态的电流容量可由于有机层17的电导率而增加，因此优选使有机层17形成图形并插入。然而，即使在本发明中所用的包含化学式1表示的化合物的有机层17没有形成图形的情况下，也可抑制关闭状态的电流容量的增加。
在具有这种结构的有机薄膜晶体管中，通过向栅极16施加电压可以在半导体层14上形成电荷载流子。例如，通过使用负栅电压可在p-型半导体层中形成正电荷载流子(空穴)，而通过使用正栅电压可在n-型半导体层中形成电荷负载流子(电子)。半导体层中电荷载流子的密度可通过栅电压调节，所以源极和漏极之间的电流可通过施加于栅极的电压来控制。
图6示出了根据本发明另一个实施方式的有机薄膜晶体管的横截面图。如图6所示的有机薄膜晶体管具有底栅底接触(bottom-contact)结构，其包括基板13、设置在基板上的栅极16、设置在栅极和基板上的绝缘层12、设置在绝缘层上的源极15和漏极11以及设置在绝缘层、源极和漏极上的半导体层14。图6的有机薄膜晶体管具有包括单层有机层的结构，其中半导体层14包含化学式1表示的化合物。
也可制备具有底栅底接触结构的有机薄膜晶体管，使其包括双层有机层。在这种情况下，半导体层14构成一层，并且插入半导体层14与源极和漏极的至少一个电极之间的有机层17构成另一层。有机层17包含化学式1表示的化合物。具体而言，有机薄膜晶体管具有包括基板13、设置在基板上的栅极16、设置在栅极和基板上的绝缘层12、设置在绝缘层上的源极15和漏极11、设置在绝缘层、源极和漏极上的半导体层14的结构，以及形成包含化学式1表示的化合物的有机层17以形成图形并插入半导体层14与源极15/漏极11之间(图8)、半导体 层14和源极15之间(未显示)、或者半导体层14和漏极11之间(未显示)，或者与绝缘层12、源极15和漏极11接触而不形成图形(图7)。
此外，根据本发明另一个实施方式的有机薄膜晶体管包括设置在基板13上的源极15和漏极11、设置在基板13、源极15和漏极11上的半导体层14、设置在半导体层14上的绝缘层12、以及设置在绝缘层12上的栅极16，其中半导体层14包含化学式1表示的化合物。
而且，根据本发明另一个实施方式的有机薄膜晶体管包括设置在基板13上的源极15和漏极11、设置在基板13、源极15和漏极11上的半导体层14、设置在半导体层14上的绝缘层12、以及设置在绝缘层12上的栅极16，其中包含化学式1表示的化合物的有机层17进一步插入半导体层14和源极15/漏极11之间、半导体层14和源极15之间、或者半导体层14和漏极11之间。包含化学式1表示的化合物的有机层17插入半导体14和源极15/漏极11之间的结构在图10举例说明。
根据本发明另一个实施方式的有机薄膜晶体管可具有包括设置在基板13上的半导体层14、设置在半导体层14上的源极15和漏极11、设置在半导体层14、源极15和漏极11上的绝缘层12、以及设置在绝缘层12上的栅极16的结构，其中半导体层14包含化学式1表示的化合物。
根据本发明另一个实施方式的有机薄膜晶体管具有包括设置在基板13上的半导体层14、设置在半导体层14上的源极15和漏极11，设置在半导体层14、源极15和漏极11上的绝缘层12、以及设置在绝缘层12上的栅极16的结构，其中包含化学式1表示的化合物的有机层17插入半导体层14和源极15/漏极11之间、半导体层14和源极15之间、或者半导体层14和漏极11之间。
本发明进一步提供了一种制备有机薄膜晶体管的方法，其包括形成包括栅极、绝缘层、源极、漏极和半导体层中的一层或多层有机层的步骤，其中有机层上的至少一层包含化学式1表示的化合物。优选形成包含化学式1表示的化合物的有机层与源极、漏极或源极和漏极两者接触。
包含化学式1表示的化合物的有机层可以为半导体层，或者为与半导体层分开形成的有机层，并且形成于半导体层与源极和漏极的至少一个电极之间。
具体而言，制备根据本发明一个实施方式的有机薄膜晶体管的方法包括以下步骤：在基板上形成栅极；在栅极和基板上形成绝缘层；在绝缘层上形成包含化学式1表示的化合物的半导体层；以及在半导体层和绝缘层上形成源极和漏极。
制备根据本发明另一个实施方式的有机薄膜晶体管的方法包括以下步骤：在基板上形成栅极；在栅极和基板上形成绝缘层；在绝缘层上形成半导体层；在半导体层上形成包含化学式1表示的化合物的有机层；以及在有机层和绝缘层上形成源极和漏极。
制备根据本发明另一个实施方式的有机薄膜晶体管的方法包括以下步骤：在基板上形成栅极；在栅极和基板上形成绝缘层；在绝缘层上形成源极和漏极；以及在绝缘层、源极和漏极上形成包含化学式1表示的化合物的半导体层。
制备根据本发明另一个实施方式的有机薄膜晶体管的方法包括以下步骤：在基板上形成栅极；在栅极和基板上形成绝缘层；在绝缘层上形成源极和漏极；在绝缘层、源极和漏极上形成包含化学式1表示的化合物的有机层；以及在有机层上形成半导体层。
制备根据本发明另一个实施方式的有机薄膜晶体管的方法包括以下步骤：在基板上形成源极和漏极；在基板、源极和漏极上形成包含化学式1表示的化合物的半导体层；以及在半导体层上形成绝缘层；以及在绝缘层上形成栅极。
制备根据本发明另一个实施方式的有机薄膜晶体管的方法包括以下步骤：在基板上形成源极和漏极；在基板、源极和漏极上形成包含化学式1表示的化合物的有机层；在有机层上形成半导体层；在半导体层上形成绝缘层；以及在绝缘层上形成栅极。
制备根据本发明另一个实施方式的有机薄膜晶体管的方法包括以下步骤：在基板上形成包含化学式1表示的化合物的半导体层；在半导体层上形成源极和漏极；在半导体层、源极和漏极上形成绝缘层；以及在绝缘层上形成栅极。
制备根据本发明另一个实施方式的有机薄膜晶体管的方法包括以下步骤：在基板上形成半导体层；在半导体层上形成包含化学式1表示的化合物的有机层；在有机层上形成源极和漏极；在有机层、源极和漏极上形成绝缘层；以及在绝缘层上形成栅极。
接着，用于有机薄膜晶体管的各元件以及本发明的效果将进行更加详细的说明。
基板
可使用满足有机薄膜晶体管的热力学和机械要求的玻璃、半导体片、金属氧化物、陶瓷材料、塑料等作为基板13。
栅极
导电材料可用于栅极16，其包括但不限于：碳、铝、钒、铬、铜、锌、银、金、镁、钙、钠、钾、钛、铟、钇、锂、钆、锡、铅、类似的金属和上述金属的合金；p-或n-掺杂硅；氧化锌、氧化铟、氧化铟 锡(ITO)、氧化铟锌以及类似的基于氧化锡或氧化锡铟的复合物；氧化物和金属的混合物，如ZnO:Al、SnO2:Sb；以及导电聚合物，如聚(3-甲基噻吩)、聚[3，4-(亚乙基-1，2-二氧基)噻吩]、聚吡咯和聚苯胺。
绝缘层
可用于绝缘层12的绝缘材料包括但不限于氧化硅、氮化硅；以及塑料绝缘体，如聚酰亚胺、聚(2-乙烯基吡啶)、和聚(4-乙烯基苯酚)、聚甲基丙烯酸甲酯。
半导体层
有两类分子-p-型和n-型有机半导体材料可用于半导体层。在p-型半导体材料的情况下，空穴为电荷载流子，而在n-型半导体材料的情况下，电子为电荷载流子。
p-型有机半导体材料的实例包括但不限于并五苯、蒽二噻吩、苯并二噻吩、噻吩低聚物、聚噻吩、混合亚单元噻吩低聚物、氧官能化噻吩低聚物(H.E.Katz等，Acc.Chem.Res.34，359(2001))等。
n-型有机半导体材料的实例包括氟化金属酞菁(Z.Bao，J.Am.Chem.Soc.120，207(1998))、全氟芳烃改性聚噻吩(A.Facchetti，Angew.Chem.Int.Ed.42，3900(2003))等。
而且，在半导体层中可包含本发明的化学式1表示的化合物。
与源极或漏极接触的有机层
有机层包含至少一种由化学式1表示的化合物。包含至少一种由化学式1表示的化合物的有机层促进了半导体层与源极、漏极或源极和或漏极两者之间欧姆接触的形成。因此，由包含至少一种由化学式1表示的化合物的有机层可提高有机薄膜晶体管中的阈电压和电荷载流子的迁移率。
使用如真空沉积、丝网印刷、喷墨印刷、微接触印刷、旋涂、浸 涂、SAM(自组装单层)等的溶液法可以形成包含至少一种由化学式1表示的化合物的有机层。在SAM法的情况下，使用可进行SAM法的化合物，可选择地将由化学式1表示的化合物涂敷至源极和漏极。而且，包含至少一种由化学式1表示的化合物的有机层在从单分子层至几十nm的厚度，优选从单分子层至小至100nm的厚度下可表现更好的效果。
源极/漏极
导电材料可用于源极/漏极，其包括但不限于碳、铝、钒、铬、铜、锌、金、镁、钙、钠、钾、钛、铟、钇、锂、钆、锡、铅、钕、铂、钯、类似的金属和上述金属的合金；p-或n-掺杂硅；氧化锌、氧化铟、氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌以及类似的基于氧化锡或氧化锡铟的复合物；氧化物和金属的混合物，如ZnO:Al、SnO2:Sb；以及导电聚合物，如聚(3-甲基噻吩)、聚[3，4-(亚乙基-1，2-二氧基)噻吩]、聚吡咯和聚苯胺。
另外，用于源/漏极的材料具有合适的功函，以降低电荷载流子注入势垒(injection barrier)并与有机层形成欧姆接触。当p-型材料用于半导体层14中时，源/漏极材料的功函相当于或接近p-型有机材料的最高占有分子轨道(HOMO)能级。因此，对于源极/漏极，优选具有高功函的金属，包括钯、铂和金。当n-型材料用于半导体层14中时，源/漏极材料的功函相当于或接近n-型有机材料的最低空分子轨道(LUMO)能级。因此，对于源/漏极，优选具有低功函的金属，包括铝。
然而，根据本发明的有机薄膜晶体管的性能表现出与具有包含化学式1表示的化合物的有机层的源/漏极材料的低相关性。这允许我们以多种方式，包括丝网印刷、卷装进出工艺(reel-to-reel process)(J.A.Rogers等，Adv.Mater.11，741(1999))、微接触印刷等制备有机薄膜晶体管。因此，在本发明中，有多种电极材料可用于源/漏极而不降低具 有包含化学式1表示的化合物的有机层的有机薄膜晶体管的性能。
例如，通过使用由上述化学式1表示的有机层，可使用铝作为图10的结构中的源/漏极。如图10所示，可使铝形成图形，以通过使用光刻技术和刻蚀法容易地制造源极15/漏极11的阵列。另外，银膏是一种可丝网印刷的导电油墨，并可通过丝网印刷法形成图形，可用作源极15/漏极11。
在本发明中，对于源极和漏极，可以特别优选使用如铝、银、金、钕、钯、铂和上述金属的合金的材料。
本发明进一步提供了一种包括本发明的有机薄膜晶体管的电子器件。只要根据本发明的电子器件包括根据本发明的有机薄膜晶体管作为元件，其不限于这些种类，并且可以电子纸、智能卡和显示器件为例。
有益效果
根据本发明的有机薄膜晶体管有助于半导体层与具有有机层的源极/漏极之间的电接触，所述有机层包含有助于半导体层和源极/漏极之间欧姆接触的有机化合物，并且用作半导体层。因此，较价廉和加工性优异的材料，即使其具有低功函，也可以用作有机薄膜晶体管中的源极或漏极的材料。
因此，根据本发明的有机薄膜晶体管在半导体层和源极/漏极之间具有优异的电接触，因此可广泛地用作电/电子器件的元件。具体而言，根据本发明的有机薄膜晶体管可用于电子纸、智能卡和可能的显示器件。
在下述详细说明中，仅仅通过具体实施方式的示例，仅仅示出和说明了本发明的优选实施方式。应理解，在完全不偏离本发明的情况下，能在多个显而易见的方面对本发明进行修改。
附图说明
图1～8分别为根据本发明实施方式的包括有机层的有机薄膜晶体管的横截面图。
图9为具有图2中的横截面的有机薄膜晶体管的俯视图，其中W和L分别对应于有机薄膜晶体管的沟道宽度和长度。
图10为根据本发明一个实施方式的有机薄膜晶体管的简化横截面图。
图11～26为在几个栅电压(VG)下，漏-源电流(IDS)与漏-源电压(VDS)特性的曲线图，以及(IDS)1/2与VG特性的曲线图。
具体实施方式
给出下述实施例的目的是更好地理解本发明。然而，给出下述实施例仅仅用于举例说明的目的，因此本发明不意限于此。
实施例1：
以如图5所示底栅顶接触结构制备场效应晶体管。n-掺杂硅片用作基板13和栅极16。通过在n-掺杂硅上热生长二氧化硅(SiO2)制备栅介质或绝缘层12。二氧化硅(SiO2)栅绝缘层的厚度为300nm。半导体层14形成于二氧化硅(SiO2)栅绝缘层12的顶部上。并五苯用作p-型半导体材料。并五苯层14在1×10-6托的基础压力下以 的速度沉积。并五苯层的厚度为50nm。如图5所示，有机层17以及金(Au)源/漏极15和11通过掩膜(shadow mask)分别沉积于并五苯膜的顶部上。如图5所示，有机层17在Au源极15/漏极11沉积前沉积于并五苯膜的顶部上。由化学式2-11表示的化合物用于有机层17的形成。有机层17在1×10-6托的基础压力下以 
Figure S06803266520070730D000212
的速度沉积，且有机层17的厚度为20nm。如图9所示，有机FET的沟道长度(L)和宽度(W)对有机薄膜晶体管的性能具有很大影响。根据本发明的实施例，有机薄膜晶体管的沟道长度和宽度分别为1mm和100μm。
在几个栅电压(VG)下，漏-源电流(IDS)与漏-源电压(VDS)特性的曲线图示于图11。并五苯晶体管(VDS＝-40V)的(IDS)1/2与VG特性示于图12。在漏-源电流饱和的状况下，场效应迁移率计算得μFET＝0.03cm2/Vs。
实施例2：
除了用铝(Al)代替金(Au)作为源极/漏极之外，以与实施例1所述相同的方式制造器件。
在漏-源电流饱和的状况下，场效应迁移率计算得μFET＝0.01cm2/Vs。
可以发现，包括具有铝作为源极/漏极材料的有机层的有机薄膜晶体管表现出与具有金作为源极/漏极材料的有机层的有机薄膜晶体管相似的性能。
实施例3：
除了如图2所示，以与用于电极相同的形式将有机层17通过掩膜沉积于并五苯膜的顶部上之外，以与实施例2所述相同的方式制造器件。
在几个栅电压(VG)下，漏-源电流(IDS)与漏-源电压(VDS)特性的曲线图示于图13。并五苯晶体管(VDS＝-40V)的(IDS)1/2与VG特性示于图14。在漏-源电流饱和的状况下，场效应迁移率计算得μFET＝0.01cm2/Vs。
如实施例2中所示的具有没有形成图形的有机层17的晶体管以及如实施例3中所示的具有形成图形的有机层17的晶体管表现出相似水平的优异场效应迁移率。具有没有形成图形的有机层17的晶体管(实施例2)在关闭状态与具有形成图形的有机层17的晶体管(实施例3)具有相同水平的电流容量，这表明即使当有机层17没有形成图形时，有机层17的漏电流也不大。
实施例4：
除了使用化学式2-30表示的化合物形成有机层17之外，以与实施例2所述相同的方式制造器件。
在几个栅电压(VG)下，漏-源电流(IDS)与漏-源电压(VDS)特性的曲线图示于图15。并五苯晶体管(VDS＝-40V)的(IDS)1/2与VG特性示于图16。在漏-源电流饱和的状况下，场效应迁移率计算得μFET＝0.02cm2/Vs。
对比例1：
除了不形成有机层17之外，以与实施例1所述相同的方式制造器件。
在几个栅电压(VG)下，漏-源电流(IDS)与漏-源电压(VDS)特性的曲线图示于图17。并五苯晶体管(VDS＝-40V)的(IDS)1/2与VG特性的曲线图示于图18。在漏-源电流饱和的状况下，场效应迁移率计算得μFET＝0.01cm2/Vs。
在相同的栅偏压(gate biases)下，在并五苯和Au电极之间具有有机层17的晶体管(实施例1，图11)比不具有有机层17的晶体管(图17)，具有更高值的源-漏电流。可以发现，具有设置在其间的有机层17的晶体管有助于半导体层与电极之间的欧姆接触，从而改善了性能。
对比例2：
除了用铝(Al)代替金(Au)作为比较例1中的源极/漏极之外，以与对比例1相同的方式制造器件。
该器件不表现晶体管特性。可以发现，当使用铝作为源极/漏极时，该器件仅仅在通过有机层17的沉积与源极或漏极接触而促进欧姆接触的情况下作为晶体管。
实施例5：
以如图7所示的底栅底接触结构制备场效应晶体管。使用n-掺杂 硅片作为基板13和栅极16。通过在n-掺杂硅上热生长二氧化硅(SiO2)制备栅介质或绝缘层12。二氧化硅(SiO2)栅绝缘层的厚度为300nm。如图7所示，通过掩膜分别将金源极15/漏极11沉积于二氧化硅(SiO2)栅绝缘层12上。将有机层17沉积于其上具有没有形成图形的源极15/漏极11的基板上。由化学式2-11表示的化合物用于有机层17的形成。有机层17在1×10-6托的基础压力下以 
Figure S06803266520070730D000241
的速度沉积。有机层17的厚度为20nm。使用并五苯作为p-型半导体材料，在有机层17上形成半导体层14。并五苯层14在1×10-6托的基础压力下以 
Figure S06803266520070730D000242
的速度沉积。并五苯层的厚度为50nm。
在几个栅电压(VG)下，漏-源电流(IDS)与漏-源电压(VDS)特性的曲线图示于图19。并五苯晶体管(VDS＝-40V)的(IDS)1/2与VG特性示于图20。在漏-源电流饱和的状况下，场效应迁移率计算得μFET＝0.03cm2/Vs。
可以发现，底接触结构中的有机层17也表现出与顶接触结构中的有机层17相同的效果。
实施例6：
除了将化学式2-38表示的化合物(数均分子量(Mn)＝8000))溶于溶剂中并将其旋涂形成有机层17，其中四氢呋喃(THF)用作溶剂，且以1500rpm旋涂20秒，然后在80℃下进行干燥2分钟之外，以与实施例4所述相同的方式制造器件。
在几个栅电压(VG)下，漏-源电流(IDS)与漏-源电压(VDS)特性的曲线图示于图21。对于并五苯晶体管(VDS＝-40V)的(IDS)1/2与VG特性示于图22。在漏-源电流饱和的状况下，场效应迁移率计算得μFET＝0.02cm2/Vs。
对比例3：
除了不形成有机层17之外，以与实施例5所述相同的方式制造器 件。
在几个栅电压(VG)下，漏-源电流(IDS)与漏-源电压(VDS)特性的曲线图示于图23。并五苯晶体管(VDS＝-40V)的(IDS)1/2与VG特性的曲线图示于图24。在漏-源电流饱和的状况下，场效应迁移率计算得μFET＝0.005cm2/Vs。
可以发现，即使具有底接触结构的晶体管也有助于半导体层和电极之间的欧姆接触，从而改善了性能。
实施例7：
除了不形成有机层17并使用化学式2-30表示的化合物代替并五苯用于半导体层14之外，以与实施例5所述相同的方式制造器件。
在几个栅电压(VG)下，漏-源电流(IDS)与漏-源电压(VDS)特性的曲线图示于图25。并五苯晶体管(VDS＝-40V)的(IDS)1/2与VG特性的曲线图示于图26。化学式2-30表示的化合物用作半导体层14的晶体管表现n-型晶体管特性，并且在漏-源电流饱和的状况下，场效应迁移率计算得μFET＝1.5×10-5cm2/Vs。
可以发现，化学式2表示的化合物可用作有机薄膜晶体管中的n-型半导体材料。

Claims (27)

1.一种有机薄膜晶体管，其包括栅极、绝缘层、源极、漏极和与源极和漏极电接触的半导体层，其中，(a)所述与源极和漏极电接触的半导体层包含由下述化学式2或2-35表示的化合物，或(b)所述有机薄膜晶体管包含在半导体层与源极和漏极中的至少一个电极之间形成的另外的有机层，该另外的有机层被形成为与半导体层以及源极和漏极中的至少一个电极相接触，并包含由下述化学式2或2-35表示的化合物：
Figure FSB00000511776500011
其中p为0或1，
R9～R12各自独立地选自氢、腈基、硝基、磺酰基、酯基和酰胺基团，并且R9和R10，或R11和R12可键合在一起形成芳香环或杂环，
R13、R15、R16和R18各自独立地选自氢、直链C1-C6烷基、苯基和-L-M，
R14和R17各自独立地选自氢、支链C4-C7烷基，
L为C2-C6亚烷基或C6亚芳基，以及
M选自醇基、巯基、磷酸酯基、聚烯烃、聚丙烯酸酯、聚噻吩和聚吡咯；
Figure FSB00000511776500021
2.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其包括基板、设置在基板上的栅极、设置在栅极和基板上的绝缘层、设置在绝缘层上的半导体层、设置在半导体层和绝缘层上的源极和漏极，其中，将所述半导体层设置为与源极和漏极接触并且包含化学式2或2-35表示的化合物。
3.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其包括基板、设置在基板上的栅极、设置在栅极和基板上的绝缘层、设置在绝缘层上的半导体层、设置在半导体层上的有机层、以及设置在有机层和绝缘层上的源极和漏极，其中，将所述有机层设置为与源极、漏极或源极和漏极两者接触并且包含化学式2或2-35表示的化合物。
4.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其包括：基板，设置在基板上的栅极，设置在栅极和基板上的绝缘层，设置在绝缘层上的源极和漏极，以及设置在绝缘层、源极和漏极上的半导体层，其中，将所述半导体层设置为与源极和漏极接触并且包含化学式2或2-35表示的化合物。
5.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其包括：基板，设置在基板上的栅极，设置在栅极和基板上的绝缘层，设置在绝缘层上的源极和漏极，设置在绝缘层、源极和漏极上的有机层，以及设置在有机层上的半导体层，其中，将所述有机层设置为与源极、漏极或源极和漏极两者接触并且包含化学式2或2-35表示的化合物。
6.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其包括：基板，设置在基板上的源极和漏极，设置在基板、源极和漏极上的半导体层，设置在半导体层上的绝缘层，以及设置在绝缘层上的栅极，其中，将所述半导体层设置为与源极和漏极接触并且包含化学式2或2-35表示的化合物。
7.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其包括：基板，设置在基板上的源极和漏极，设置在基板、源极和漏极上的有机层，设置在有机层上的半导体层，设置在半导体层上的绝缘层，以及设置在绝缘层上的栅极，其中，将所述有机层设置为与源极、漏极或源极和漏极两者接触并且包含化学式2或2-35表示的化合物。
8.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其包括：基板，设置在基板上的半导体层，设置在半导体层上的源极和漏极，设置在半导体层、源极和漏极上的绝缘层，以及设置在绝缘层上的栅极，其中，将所述半导体层设置为与源极和漏极接触并且包含化学式2或2-35表示的化合物。
9.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其包括：基板，设置在基板上的半导体层，设置在半导体层上的有机层，设置在有机层上的源极和漏极，设置在有机层、源极和漏极上的绝缘层，以及设置在绝缘层上的栅极，其中，将所述有机层设置为与源极、漏极或源极和漏极两者接触并且包含化学式2或2-35表示的化合物。
10.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其中，化学式2表示的化合物选自下述化学式2-1～2-34和2-36～2-40表示的化合物：
Figure FSB00000511776500041
Figure FSB00000511776500051
Figure FSB00000511776500061
Figure FSB00000511776500071
Figure FSB00000511776500081
Figure FSB00000511776500091
其中，x为2～10,000,000。
11.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其中，所述的包含化学式2或2-35表示的化合物的有机层的厚度为从单分子层厚度至100nm范围的厚度。
12.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其中，所述的源极和漏极由选自铝、银、金、钕、钯、铂和上述金属的合金的材料形成。
13.一种制备有机薄膜晶体管的方法，其包括形成栅极、绝缘层、源极、漏极和与源极和漏极电接触的半导体层的步骤，
其中，(a)所述与源极和漏极电接触的半导体层包含由下述化学式2或2-35表示的化合物，或(b)所述有机薄膜晶体管包含在半导体层与源极和漏极中的至少一个电极之间形成的另外的有机层，该另外的有机层被形成为与半导体层以及源极和漏极中的至少一个电极相接触，并包含由下述化学式2或2-35表示的化合物：
Figure FSB00000511776500101
其中p为0或1，
R9～R12各自独立地选自氢、腈基、硝基、磺酰基、酯基和酰胺基团，并且R9和R10，或R11和R12可键合在一起形成芳香环或杂环，
R13、R15、R16和R18各自独立地选自氢、直链C1-C6烷基、苯基和-L-M，
R14和R17各自独立地选自氢、支链C4-C7烷基，
L为C2-C6亚烷基或C6亚芳基，以及
M选自醇基、巯基、磷酸酯基、聚烯烃、聚丙烯酸酯、聚噻吩和聚吡咯；
14.根据权利要求13所述的制备有机薄膜晶体管的方法，其中，将所述的由化学式2或2-35表示的化合物形成的有机层设置为与源极、漏极或源极和漏极两者接触。
15.根据权利要求13所述的制备有机薄膜晶体管的方法，其包括下述步骤：在基板上形成栅极；在栅极和基板上形成绝缘层；在绝缘层上形成包含化学式2或2-35表示的化合物的半导体层；以及在半导体层和绝缘层上形成源极和漏极。
16.根据权利要求13所述的制备有机薄膜晶体管的方法，其包括下述步骤：在基板上形成栅极；在栅极和基板上形成绝缘层；在绝缘层上形成半导体层；在半导体层上形成包含化学式2或2-35表示的化合物的有机层；以及在有机层和绝缘层上形成源极和漏极。
17.根据权利要求13所述的制备有机薄膜晶体管的方法，其包括下述步骤：在基板上形成栅极；在栅极和基板上形成绝缘层；在绝缘层上形成源极和漏极；以及在绝缘层、源极和漏极上形成包含化学式2或2-35表示的化合物的半导体层。
18.根据权利要求13所述的制备有机薄膜晶体管的方法，其包括下述步骤：在基板上形成栅极；在栅极和基板上形成绝缘层；在绝缘层上形成源极和漏极；在绝缘层、源极和漏极上形成包含化学式2或2-35表示的化合物的有机层；以及在有机层上形成半导体层。
19.根据权利要求13所述的制备有机薄膜晶体管的方法，其包括下述步骤：在基板上形成源极和漏极；在基板、源极和漏极上形成包含化学式2或2-35表示的化合物的半导体层；在半导体层上形成绝缘层；以及在绝缘层上形成栅极。
20.根据权利要求13所述的制备有机薄膜晶体管的方法，其包括下述步骤：在基板上形成源极和漏极；在基板、源极和漏极上形成包含化学式2或2-35表示的化合物的有机层；在有机层上形成半导体层；在半导体层上形成绝缘层；以及在绝缘层上形成栅极。
21.根据权利要求13所述的制备有机薄膜晶体管的方法，其包括下述步骤：在基板上形成包含化学式2或2-35表示的化合物的半导体层；在半导体层上形成源极和漏极；在半导体层、源极和漏极上形成绝缘层；以及在绝缘层上形成栅极。
22.根据权利要求13所述的制备有机薄膜晶体管的方法，其包括下述步骤：在基板上形成半导体层；在半导体层上形成包含化学式2或2-35表示的化合物的有机层；在有机层上形成源极和漏极；在有机层、源极和漏极上形成绝缘层；以及在绝缘层上形成栅极。
23.根据权利要求13所述的制备有机薄膜晶体管的方法，其中，所述的由化学式2或2-35表示的化合物形成的有机层的厚度为从单分子层厚度至100nm范围的厚度。
24.根据权利要求13所述的制备有机薄膜晶体管的方法，其中，所述的由化学式2或2-35表示的化合物形成的有机层通过选自真空沉积、丝网印刷、喷墨印刷、微接触印刷、旋涂、浸涂和SAM(自组装单层)的方法形成。
25.根据权利要求13所述的制备有机薄膜晶体管的方法，其中，所述的源极和漏极由选自铝、银、金、钕、钯、铂和上述金属的合金的材料形成。
26.一种电子器件，其包括根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管。
27.根据权利要求26所述的电子器件，其选自电子纸、智能卡和显示器件。
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