CN101452995B - 一种有机薄膜晶体管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用方酸菁类材料的有机晶体管，包括基片、源/漏电极、栅电极，以及位于源/漏电极和栅电极之间的半导体层和绝缘层，所述半导体层采用下述通式所示的方酸染料，其中，R选自-NH，R′选自-CH₂、-NH、S或-C(CH₃)₂中的一种。本发明采用新型的有机场效应半导体材料，大大扩宽了有机场效应半导体材料的选择范围。同时，利用本材料可以制备全有机材料的器件，在有机柔性显示器以及其他要求柔韧性的器件可以有很好的应用。

Description

一种有机薄膜晶体管

技术领域：

本发明涉及一种新型有机晶体管。

背景技术

有机晶体管是重要的有机半导体器件之一，其研究工作进展迅速并引起了人们的广泛关注。在有机半导体材料晶体管出现以前，晶体管主要是由硅Si、锗Ge、砷化镓GaAs、氮化镓GaN等为代表的半导体材料制备，并以已经广泛应用于电子元件、高密度信息存储、光电器件等领域。随着人们对有机半导体材料认识的逐步深入，一批具有类似无机半导体特性的有机功能材料被开发出来了，并且正尝试应用于传统半导体材料的领域。目前利用有机晶体管已经应用于环形振荡器的逻辑门、有机显示器的有源驱动电路、有机传感器、存储器、电子书或电子纸领域等等。有机半导体材料的出现，极大地丰富了人们的视野，激发了广泛的研究兴趣，已经成为当今的研究热点之一。

有机半导体材料与传统的无机半导体材料相比有一定的相似性，它们在电导率、载流子迁移率和能隙等方面存在着较多的类似点，应用领域也有一定的相似性。但是有机半导体材料又具有许多不同于无机半导体材料的新特点，有机半导体可选范围广泛、制备工艺简单、成本低廉，并且可以制备柔性器件，这都给有机半导体材料的发展提供了美好的前景和广阔的空间

通常晶体管包括双极晶体管和场效应晶体管。所谓场效应是指半导体材料的导电能力随着电场的变化而变化。场效应晶体管工作过程和电子管十分相似，是电压控制器件，就是通过改变电场来控制固体材料导电能力的有源器件。在电子领域中有着广泛的应用，是微处理器和半导体储存器等超大规模集成电路中最重要的器件之一。

随着有机半导体材料的发现和发展，人们开始尝试利用有机物替代无机材料充当载流子传输层，而利用有机材料充当载流子传输层的薄膜场效应晶体管也就被称为有机薄膜场效应晶体管(organic thin-film field-effect transistor，OTFFET)。也称有机薄膜晶体管(organic thin-film transistor，OTFT)或者有机场效应晶体管(organic field-effect transistor，OFET)，在本论文中，为方便起见，我们统一称为有机薄膜晶体管(OTFT)。

虽然有机半导体材料的种类不断得到丰富，但是材料的选择范围很是很小的，基本上集中于并五苯和寡聚噻吩及其衍生物上，除此以外酞菁及其衍生物也略有涉及但是要少很多。

一方面载流子迁移率很难再有大幅度提高，另一方面这些种材料具有合成困难，价格昂贵、稳定性较差等缺点。而且只选择这些材料大大的缩小了有机半导体材料的选择范围。新的有机半导体需要被尝试。更多的有机材料应该被用于OTFT的领域当中，不断的拓宽OTFT的选材范围，进而提高其性能。因而在本专利中研究了新的材料，一种方酸染料(1，3-bis[(3，3-dimethylindolin-2-ylidene)methyl]squaraine，以下简称ISQ)作为新的半导体层，并制备了器件。通过对器件中有机半导体材料层的厚度、蒸发速率、金属电极金Au电极的厚度参数等的不断调整以及采用退火等操作流程，大大优化了器件的性能，使得器件的载流子迁移率从10^-5 cm²/Vs达到了1.13×10^-3cm²/Vs，开关电流比从20～30提高到了10³～10⁴。

场效应晶体管有着较好的工作速率，较低的能耗功率，封装也比较容易实现大规模制作，因此它们在存储器、便携式电子计算机、自动化电子设备、数据传送设备、随机逻辑系统中可以有广泛的应用。

相对于无机的场效应晶体管，OTFT有着如下的优点：

有机薄膜技术更多、更新、更薄，使得器件的尺寸能够更小，集成度更高，使得应用OTFT的电子元器件可以达到更高的运算速度和更小的操作功率。利用有机薄膜大规模制备技术，可以制备大面积的器件。

有机材料的合成相对于无机材料容易，有机分子选材广泛，而且通过对有机分子结构进行适当的修饰，可以得到不同性能的材料，因此通过尝试新的材料以及对有机半导体材料进行改性就能够使OTFT的电学性能达到理想的结果。

OTFT的上述特点决定了它有着非常广阔的应用前途，因此人们在对OTFT器件制备工艺和机理进行研究的同时，对相关的应用研究也投入了很大的精力。现在已经被应用于有机存储器件、有机集成电路、有机有源点阵显示器的驱动、有机气体/离子传感器等众多的领域。

发明内容：

本发明的目的是提出一种新型有机场效应晶体管，其中采用了有机半导体材料方酸菁类材料。

本发明提出一种有机晶体管，包括基片、源/漏电极、栅电极，以及位于源/漏电极和栅电极之间的半导体层和绝缘层，其中半导体层采用下述通式所示的方酸染料：

上式中，R选自-NH，R′选自-CH2、-NH、S或-C(CH3)2中的一种。

本发明的有机晶体管为单晶晶体管或薄膜晶体管。

本发明的有机晶体管的基片材料选自玻璃、硅片、金属或者陶瓷，该基片也可以是柔性基片。

上述方酸染料薄膜层的厚度在40-100nm范围内。

上述方酸染料薄膜层的蒸镀速度为

本发明还提出一种制备有机晶体管的方法，具体步骤包括：合成方酸菁ISQ材料、提纯；在带有透明电极的基片上甩膜制备绝缘层；在真空腔室中蒸镀ISQ薄膜材料作为器件的半导体层；制备源漏金属电极；采用退火工艺处理器件。

上述方酸染料薄膜层的蒸镀速度为

退火工艺步骤中控制温度为50℃至90℃，时间为1-4小时。

本发明的OTFT的制作工艺简单，可以采用蒸镀、甩膜等等工艺，制备条件温和，可以有效地降低器件的成本。

利用本发明的技术方案成功设计了一种新型的有机场效应半导体材料，大大扩宽了有机场效应半导体材料的选择范围。同时，利用本材料可以制备全有机材料的器件，在有机柔性显示器以及其他要求柔韧性的器件可以有很好的应用。

说明书附图：

图1为实施例1制备的晶体管的输出特性曲线。图2为实施例1制备的晶体管的转移特性曲线。

具体实施方式：

下面结合附图详细说明本发明的实施方式。注意的是，这里说明的各个实施例仅仅是用于例示说明本发明，不应当将这些实施例理解为限定性的。

按照合成方酸菁ISQ材料的制备方法、用该方酸菁制备的半导体器件的方法，我们将分两部分说明本发明内容。

(1)合成方酸菁ISQ材料的制备方法

我们采用的路径是：

将方酸材料squaric acid和2，3，3-三甲基吲哚2，3，3-trimethylindolenines，两者按照1∶2的摩尔比例在适当体积的甲苯和正丁醇溶液中混合加热回流一定时间，然后采用分流器分流，将生成的水出去。静置冷却后，晶体即会析出，然后用甲醇重结晶即可得到产品。为了提高纯度，1-2次的分区升华是需要的。其他材料也可以采用类似的途径合成。

(2)本发明的晶体管的制备方法

在制备好导电薄膜的基片上甩膜制备绝缘层材料，该材料优选为PMMA、PVP；

在真空腔室中蒸镀ISQ等有机薄膜材料；

制备器件的源漏金属电极；

进行退火处理。

实施例1：

利用已制备上ITO导电薄膜并光刻成图形的玻璃基片作为基底，用丙酮/乙醇(1∶1)混合液、去离子水超声清洗基底，清洗好的基底在红外灯下烘干1小时。

把基底置于旋涂机样品台上，设置旋涂机的转速为3500rpm，将绝缘层材料PMMA溶液滴到基底上，并铺满整个基底，开启旋涂设备，30秒后设备停止，在ITO玻璃基底上形成均匀的绝缘层薄膜膜。

把基底固定在制备晶体管栅极的模板上，并置模板和基底于真空腔室中，待真空度达到5×10^-3Pa后，蒸镀如下图的TMISQ薄膜材料，蒸镀速率为

蒸镀膜厚为20-100nm。

在真空度达到3×10^-3Pa后，开始蒸镀金属金Au电极，厚度为80nm.

待基片冷却以后，从真空中取出模板，取出模板中的试验片，

把基底放入退火炉内，在60℃条件下进行退火3小时。至此器件制备完成。

图1和图2为晶体管的输出特性曲线和转移特性曲线，从这些特性曲线中可以看出，器件具有典型的输入电压控制输出电流特性，经过计算，该器件的场效应迁移率为0.05cm²V^-1s^-1，开关电流比为6.9×10⁵。

实施例2：

利用已制备好ITO导电薄膜并光刻成图形玻璃片作为基底，用丙酮/乙醇(1∶1)混合液、去离子水超声清洗基底，清洗好的基底在红外灯下烘干1小时。

把基底置于旋涂机样品台上，设置旋涂机的转速为3500rpm，将绝缘层材料PVP溶液滴到基底上，并铺满整个基底，开启旋涂设备，30秒后设备停止，在ITO玻璃基底上形成均匀的绝缘层薄膜膜。

把基底固定在制备晶体管栅极的模板上，并置模板和基底于真空腔室中，待真空度达到5×10^-3Pa后，蒸镀如下图的BTASQ薄膜材料，蒸镀速率为

蒸镀膜厚为50nm.

在真空度达到3×10^-3Pa后，开始蒸镀金属金Au电极，厚度为50nm.

待基片冷却以后，从真空中取出模板，取出模板中的试验片，

把基底放入退火炉内，在80℃条件下进行退火2小时。至此器件制备完成。

器件具有典型的输入电压控制输出电流特性，该器件的场效应迁移率为0.1cm²V^-1s^-1，开关电流比为5×10⁵。

实施例3：

用丙酮/乙醇(1∶1)混合液、去离子水超声清洗制备好的ITO导电薄膜并光刻成图形玻璃片作为基底和光刻完毕的Cr电极基底，清洗好的基底在红外灯下烘干1小时。

把ITO基底置于旋涂机样品台上，设置旋涂机的转速为3000rpm，将绝缘层材料PMMA溶液滴到基底上，并铺满整个基底，开启旋涂设备，30秒后设备停止，在ITO玻璃基底上形成均匀的绝缘层薄膜膜。

将TMISQ用热的甲醇溶液溶解制备饱和溶液，后缓慢冷却，使TMISQ能够析出单晶，待单晶达到合适大小时，取出单晶。

将单晶放置于Cr电极的沟道之上，在上面覆盖已经制备好PMMA的栅极基底。

至此器件制备完成。器件具有典型的输入电压控制输出电流特性，该器件的场效应迁移率为2cm²V^-1s^-1，开关电流比为3×10⁵。

实施例4：

用丙酮/乙醇(1∶1)混合液、去离子水超声清洗制备好的ITO导电薄膜并光刻成图形玻璃片作为基底，清洗好的基底在红外灯下烘干1小时。

把ITO基底置于真空溅射设备当中，在真空度达到3×10^-3Pa后，开始溅射制备Ta₂O₅薄膜，在ITO玻璃基底上会形成均匀的绝缘层薄膜膜，速率约为0.1nm/s，厚度为300nm。待基片冷却以后，从真空中取出模板，取出模板中的试验片，放入蒸镀金属金Au电极腔室，开始制备电极，厚度约为40nm。

将BTASQ用热的乙醇溶液溶解制备饱和溶液，后缓慢冷却，使TMISQ能够析出单晶，待单晶达到合适大小时，取出单晶。

将单晶放置于Au电极的沟道之上，在上面施加一定的压力，保证各层之间有一个良好的接触，如下图所示：

至此器件制备完成。器件具有典型的输入电压控制输出电流特性，该器件的场效应迁移率为3cm²V^-1s^-1，开关电流比为6×10⁵。

Claims (10)

1.一种有机晶体管，包括基片、源/漏电极、栅电极，以及位于源/漏电极和栅电极之间的半导体层和绝缘层，其特征在于，所述半导体层采用下述通式所示的方酸染料

其中，R选自-NH，R′选自-CH₂、-NH、S或-C(CH₃)₂中的一种。

2.根据权利要求1所述的有机晶体管，其特征在于，该晶体管为单晶晶体管或薄膜晶体管。

3.根据权利要求1或2所述的有机晶体管，其特征在于，所述基片材料选自玻璃、硅片、金属或者陶瓷。

4.

根据权利要求1或2所述的有机晶体管，其特征在于，所述基片是柔性基片。

5.根据权利要求1或2所述的有机晶体管，其特征在于，所述方酸染料薄膜层的厚度在20-100nm范围内。

6.

根据权利要求1或2所述的有机晶体管，其特征在于，其金属电极选用金、铬或镍，电极总厚度为10-200nm。

7.

一种制备权利要求1所述的有机晶体管的方法，具体步骤包括：

A.合成方酸菁ISQ材料、提纯；

B.在带有电极的基片上制备绝缘层；

C.沉积ISQ薄膜材料作为器件的半导体层；

D.制备源漏金属电极；

E.采用退火工艺处理器件。

8.

根据权利要求6所述的有机晶体管的制备方法，其特征在于，所述方酸染料薄膜层是采用真空蒸镀的方法制备的，蒸镀速度为

9.

根据权利要求6所述的有机晶体管的制备方法，其特征在于，所述退火工艺步骤中控制温度为50℃至150℃，时间为1-6小时。

10.

权利要求6所述的有机晶体管的制备方法，其特征在于，所述方酸染料薄膜层是通过溶解方酸类染料，利用旋涂、印刷、喷墨打印的溶液方法制备的。

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