CN102931350A - 一种溶液法双极性薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种溶液法双极性薄膜晶体管及其制备方法，属于柔性电子技术领域。所述晶体管为堆叠结构，包括绝缘衬底、栅电极、栅极绝缘层、n型无机半导体层、源/漏电极、电极修饰材料和P型有机半导体层；所述制备方法包括：首先在绝缘衬底上制备栅电极，其次在栅电极上制备栅极绝缘层，然后在栅极绝缘层上制备n型无机半导体，接着在n型无机半导体上分离地制备源/漏电极，继续在源/漏电极表面修饰电极修饰材料，最后在n型无机半导体和电极修饰材料上制备P型有机半导体层。本发明具有良好的工艺兼容性和冗余度，适用于柔性电子中的互补性逻辑电路。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子器件，具体涉及一种溶液法双极性薄膜晶体管及其制备方法，属于柔性电子技术领域。
背景技术
溶液法薄膜晶体管由于具有低成本、可低温制备、易于柔性和大面积集成等优点取得了广泛的关注，在传感单元、射频标志识别标签、电子纸显示背板、医疗卫生等领域中已经取得了实际应用。随着人们对于电子产品低成本和便携性不断增长的需求，溶液法薄膜晶体管的发展势必会得到更大的推动和重视。
溶液法薄膜晶体管根据半导体层导电载流子的不同分为空穴传输型(P型)和电子传输型(n型)两种。现阶段由于P型和n型晶体管在材料体系和工艺选择上没有取得很好的兼容，往往是以单极性的方式出现在电路应用中。然而与传统硅基电子器件类似，互补式逻辑电路因为有着低功耗这一巨大优势势必会同样成为溶液法薄膜晶体管未来的发展趋势。
目前用溶液法薄膜晶体管来实现互补性逻辑电路的方法主要集中在选用两种不同极性的半导体材料(一种P型，一种n型)沉积在相应的不同位置，但是这种方法对材料定位和绝缘层特性要求较高，并不适合低成本的应用。此外，也有很多合成的新材料具有双极性(既传导电子，又传导空穴)，可以利用此类可溶液法加工的单一半导体来实现互补性逻辑电路，然而现阶段这种材料体系并不成熟，短期内很难得到实际应用。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种溶液法双极性薄膜晶体管及其制备方法，通过结合溶液法n型无机半导体和P型有机半导体，利用一种堆叠结构来实现具有更好工艺兼容性和冗余度的双极性晶体管，从而应用于互补性逻辑电路。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种溶液法双极性薄膜晶体管，其为堆叠结构，包括绝缘衬底、栅电极、栅极绝缘层、n型无机半导体层、源/漏电极、电极修饰材料和P型有机半导体层；其中：
所述绝缘衬底位于所述晶体管的最底层，所述栅电极位于所述绝缘衬底之上，所述栅极绝缘层覆盖在所述栅电极之上，所述n型无机半导体层覆盖于所述栅极绝缘层之上，所述源/漏电极分离地设于所述n型无机半导体层上，所述电极修饰材料修饰在所述源/漏电极的表面上，所述P型有机半导体层覆盖于所述n型无机半导体层和电极修饰材料之上。
所述绝缘衬底为玻璃或塑料薄膜。
所述栅电极的材料为导电金属或导电有机物，该导电有机物为PEDOT:PSS。
所述栅极绝缘层为溶液法加工的绝缘层材料且不溶于制备所述n型无机半导体层所用到的溶剂。
所述n型无机半导体层为溶液法加工的电子导电的无机半导体材料，该无机半导体材料为无机氧化物半导体。
所述源/漏电极的材料为导电金属，该导电金属为金、银、铜或铝。
所述电极修饰材料为含巯基的化学单分子自组装薄膜。
所述P型有机半导体层为溶液法加工的空穴导电的有机半导体材料，该有机半导体材料为小分子半导体或聚合物半导体。
本发明另一技术方案如下：
一种用于所述的溶液法双极性薄膜晶体管的制备方法，其具体步骤如下：
1)在绝缘衬底上制备栅电极，所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀、光刻、喷墨印刷或丝网印刷；
2)在所述栅电极上制备栅极绝缘层，所用制备方法为溶液法旋涂或刮涂绝缘层溶液；
3)在所述栅极绝缘层上制备n型无机半导体层，所用制备方法为旋涂、喷墨打印、丝网印刷或提拉法；
4)在所述n型无机半导体层上分离地制备源/漏电极，所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀、光刻、喷墨印刷或丝网印刷；
5)在所述源/漏电极的表面上修饰电极修饰材料，所用制备方法为将所述源/漏电极在含巯基的化学单分子自组装薄膜中浸涂；
6)在所述n型无机半导体层和电极修饰材料上制备P型有机半导体层，所用制备方法为旋涂、喷墨打印、丝网印刷或提拉法。
本发明充分利用了材料特质，利用无机半导体和有机半导体在溶剂上的正交性，在制备无机半导体之后再制备有机半导体来实现双极性，其具有更好的工艺兼容性和冗余度，能够很好的集成现有的成熟材料体系，进一步促进溶液法薄膜晶体管的应用。
本发明具有以下优点：
第一、巧妙利用材料特性实现双极性薄膜晶体管，可以很好的应用于互补性逻辑电路。
第二、对工艺要求低，有很好的工艺兼容性。
第三、可溶液法低温制备，能够很好的应用于柔性衬底。
附图说明
图1是本发明的剖面结构示意图。
图2A-图2F是本发明的制备方法流程图。
图3是本发明实验性示例中得到的溶液法双极性薄膜晶体管的转移特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明的实施方案。
本发明所述的溶液法双极性薄膜晶体管的结构如图1所示，其为堆叠结构，包括绝缘衬底11、栅电极12、栅极绝缘层13、n型无机半导体层14、源/漏电极15、电极修饰材料16和P型有机半导体层17；其中：
所述绝缘衬底11位于所述晶体管的最底层，所述栅电极12位于所述绝缘衬底11之上，所述栅极绝缘层13覆盖在所述栅电极12之上，所述n型无机半导体层14覆盖于所述栅极绝缘层13之上，所述源/漏电极15分离地设于所述n型无机半导体层14上，所述电极修饰材料修饰16在所述源/漏电极15的表面上，所述P型有机半导体层17覆盖于所述n型无机半导体层14和电极修饰材料16之上。
所述绝缘衬底11为玻璃或塑料薄膜等。
所述栅电极12的材料为金、银、铜、铝等导电金属或PEDOT:PSS等导电有机物，通常厚度为几十纳米。
所述栅极绝缘层13为溶液法加工的绝缘层材料，其不溶于制备n型无机半导体层14所用到的溶剂，该栅极绝缘层13的厚度一般为几十到几百纳米。
所述n型无机半导体层14为溶液法加工的电子导电的无机半导体材料，如常见的无机氧化物半导体。
所述源/漏电极15的材料包括：金、银、铝等导电金属，其通常厚度为几十纳米。
所述电极修饰材料16为含巯基的化学单分子自组装薄膜，能够起到改善电极-半导体接触的作用。
所述P型有机半导体层17为溶液法加工的空穴导电的有机半导体材料，如小分子半导体或聚合物半导体。
请参阅图2A-图2F，所述溶液法双极性薄膜晶体管的制备方法的具体步骤如下：
1)在绝缘衬底上11制备栅电极12，所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀、光刻、喷墨印刷或丝网印刷。
2)在所述栅电极12上制备栅极绝缘层13，所用制备方法为溶液法旋涂或刮涂绝缘层溶液，成膜后加热烘干溶剂形成栅极绝缘层13，所述的绝缘层材料不溶于制备n型无机半导体层14所用到的溶剂。
3)在所述栅极绝缘层13上制备n型无机半导体层14，所用制备方法为旋涂、喷墨打印、丝网印刷或提拉法等溶液法。
4)在所述n型无机半导体层14上分离地制备源/漏电极15，所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀、光刻、喷墨印刷或丝网印刷。
5)在所述源/漏电极15的表面上修饰电极修饰材料16，所用制备方法为将所述源/漏电极15在含巯基的化学单分子自组装薄膜中浸涂一段时间后取出。
6)在所述n型无机半导体层14和电极修饰材料16上制备P型有机半导体层17，所用制备方法为旋涂、喷墨打印、丝网印刷或提拉法等溶液法。
上述所有工艺的最高温度不超过150摄氏度，因此能够很好的应用于柔性基板。
以下为采用所述方法制备溶液法双极性薄膜晶体管的具体实施例。
实施例1-
1)在玻璃的绝缘衬底上11制备栅电极12，该栅电极12的材料为金，所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀。
2)在所述栅电极12上制备栅极绝缘层13，该栅极绝缘层13为溶液法加工的绝缘层材料，所用制备方法为溶液法旋涂绝缘层溶液，成膜后加热烘干溶剂形成栅极绝缘层13，所述的绝缘层材料不溶于制备n型无机半导体层14所用到的溶剂。
3)在所述栅极绝缘层13上制备n型无机半导体层14，该n型无机半导体层14为溶液法加工的电子导电的无机氧化物半导体，所用制备方法为旋涂溶液法。
4)在所述n型无机半导体层14上分离地制备源/漏电极15，该源/漏电极15的材料为金，所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀。
5)在所述源/漏电极15的表面上修饰电极修饰材料16，该电极修饰材料16为含巯基的化学单分子自组装薄膜，所用制备方法为将所述源/漏电极15在含巯基的化学单分子自组装薄膜中浸涂一段时间后取出。
6)在所述n型无机半导体层14和电极修饰材料16上制备P型有机半导体层17，该P型有机半导体层17为溶液法加工的空穴导电的有机小分子半导体，所用制备方法为旋涂溶液法。
上述所有工艺的最高温度不超过150摄氏度。
实施例2-
1)在塑料薄膜的绝缘衬底上11制备栅电极12，该栅电极12的材料为银，所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行光刻。
2)在所述栅电极12上制备栅极绝缘层13，该栅极绝缘层13为溶液法加工的绝缘层材料，所用制备方法为溶液法刮涂绝缘层溶液，成膜后加热烘干溶剂形成栅极绝缘层13，所述的绝缘层材料不溶于制备n型无机半导体层14所用到的溶剂。
3)在所述栅极绝缘层13上制备n型无机半导体层14，该n型无机半导体层14为溶液法加工的电子导电的无机氧化物半导体，所用制备方法为喷墨打印溶液法。
4)在所述n型无机半导体层14上分离地制备源/漏电极15，该源/漏电极15的材料为银，所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行光刻。
5)在所述源/漏电极15的表面上修饰电极修饰材料16，该电极修饰材料16为含巯基的化学单分子自组装薄膜，所用制备方法为将所述源/漏电极15在含巯基的化学单分子自组装薄膜中浸涂一段时间后取出。
6)在所述n型无机半导体层14和电极修饰材料16上制备P型有机半导体层17，该P型有机半导体层17为溶液法加工的空穴导电的有机聚合物半导体，所用制备方法为喷墨打印溶液法。
上述所有工艺的最高温度不超过150摄氏度。
实施例3-
1)在玻璃的绝缘衬底上11制备栅电极12，该栅电极12的材料为铜，所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行喷墨印刷。
2)在所述栅电极12上制备栅极绝缘层13，该栅极绝缘层13为溶液法加工的绝缘层材料，所用制备方法为溶液法旋涂绝缘层溶液，成膜后加热烘干溶剂形成栅极绝缘层13，所述的绝缘层材料不溶于制备n型无机半导体层14所用到的溶剂。
3)在所述栅极绝缘层13上制备n型无机半导体层14，该n型无机半导体层14为溶液法加工的电子导电的无机氧化物半导体，所用制备方法为丝网印刷溶液法。
4)在所述n型无机半导体层14上分离地制备源/漏电极15，该源/漏电极15的材料为铜，所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行喷墨印刷。
5)在所述源/漏电极15的表面上修饰电极修饰材料16，该电极修饰材料16为含巯基的化学单分子自组装薄膜，所用制备方法为将所述源/漏电极15在含巯基的化学单分子自组装薄膜中浸涂一段时间后取出。
6)在所述n型无机半导体层14和电极修饰材料16上制备P型有机半导体层17，该P型有机半导体层17为溶液法加工的空穴导电的有机小分子半导体，所用制备方法为丝网印刷溶液法。
上述所有工艺的最高温度不超过150摄氏度。
实施例4-
1)在塑料薄膜的绝缘衬底上11制备栅电极12，该栅电极12的材料为铝，所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行丝网印刷。
2)在所述栅电极12上制备栅极绝缘层13，该栅极绝缘层13为溶液法加工的绝缘层材料，所用制备方法为溶液法刮涂绝缘层溶液，成膜后加热烘干溶剂形成栅极绝缘层13，所述的绝缘层材料不溶于制备n型无机半导体层14所用到的溶剂。
3)在所述栅极绝缘层13上制备n型无机半导体层14，该n型无机半导体层14为溶液法加工的电子导电的无机氧化物半导体，所用制备方法为提拉法。
4)在所述n型无机半导体层14上分离地制备源/漏电极15，该源/漏电极15的材料为铝，所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行丝网印刷。
5)在所述源/漏电极15的表面上修饰电极修饰材料16，该电极修饰材料16为含巯基的化学单分子自组装薄膜，所用制备方法为将所述源/漏电极15在含巯基的化学单分子自组装薄膜中浸涂一段时间后取出。
6)在所述n型无机半导体层14和电极修饰材料16上制备P型有机半导体层17，该P型有机半导体层17为溶液法加工的空穴导电的有机聚合物半导体，所用制备方法为提拉法。
上述所有工艺的最高温度不超过150摄氏度。
实施例5—
1)在玻璃的绝缘衬底上11制备栅电极12，该栅电极12的材料为导电有机物PEDOT:PSS，所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀。
2)在所述栅电极12上制备栅极绝缘层13，该栅极绝缘层13为溶液法加工的绝缘层材料，所用制备方法为溶液法旋涂绝缘层溶液，成膜后加热烘干溶剂形成栅极绝缘层13，所述的绝缘层材料不溶于制备n型无机半导体层14所用到的溶剂。
3)在所述栅极绝缘层13上制备n型无机半导体层14，该n型无机半导体层14为溶液法加工的电子导电的无机氧化物半导体，所用制备方法为旋涂溶液法。
4)在所述n型无机半导体层14上分离地制备源/漏电极15，该源/漏电极15的材料为金，所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀。
5)在所述源/漏电极15的表面上修饰电极修饰材料16，该电极修饰材料16为含巯基的化学单分子自组装薄膜，所用制备方法为将所述源/漏电极15在含巯基的化学单分子自组装薄膜中浸涂一段时间后取出。
6)在所述n型无机半导体层14和电极修饰材料16上制备P型有机半导体层17，该P型有机半导体层17为溶液法加工的空穴导电的有机小分子半导体，所用制备方法为旋涂溶液法。
上述所有工艺的最高温度不超过150摄氏度。
根据本发明的实施方案，我们制备了溶液法双极性薄膜晶体管。下文将对实验结果进行概述。
实验性示例：溶液法双极性薄膜晶体管的电学特性。
图3给出了本发明实验性示例得到的有机薄膜晶体管的转移特性曲线，实验性示例中采用溶液法加工的n型无机氧化物半导体和P型有机小分子半导体。从图3可以看出，通过本发明得到的溶液法双极性薄膜晶体管有着非常出色的双极性性能，既能够空穴导电，又能够电子导电。此实验室示例结果有着较小的磁滞和较高的开关比，证明本发明有着很重要的实际意义，能够应用于互补性逻辑电路，实现功能性集成。
Claims (13)
1.一种溶液法双极性薄膜晶体管，其特征是，所述晶体管为堆叠结构，其包括绝缘衬底(11)、栅电极(12)、栅极绝缘层(13)、n型无机半导体层(14)、源/漏电极(15)、电极修饰材料(16)和P型有机半导体层(17)；其中：
所述绝缘衬底(11)位于所述晶体管的最底层，所述栅电极(12)位于所述绝缘衬底(11)之上，所述栅极绝缘层(13)覆盖在所述栅电极(12)之上，所述n型无机半导体层(14)覆盖于所述栅极绝缘层(13)之上，所述源/漏电极(15)分离地设于所述n型无机半导体层(14)上，所述电极修饰材料(16)修饰在所述源/漏电极(15)的表面上，所述P型有机半导体层(17)覆盖于所述n型无机半导体层(14)和电极修饰材料(16)之上。
2.根据权利要求1所述的溶液法双极性薄膜晶体管，其特征是，所述绝缘衬底(11)为玻璃或塑料薄膜。
3.根据权利要求1所述的溶液法双极性薄膜晶体管，其特征是，所述栅电极(12)的材料为导电金属或导电有机物。
4.根据权利要求3所述的溶液法双极性薄膜晶体管，其特征是，所述导电有机物为PEDOT:PSS。
5.根据权利要求1所述的溶液法双极性薄膜晶体管，其特征是，所述栅极绝缘层(13)为溶液法加工的绝缘层材料且不溶于制备所述n型无机半导体层(14)所用到的溶剂。
6.根据权利要求1所述的溶液法双极性薄膜晶体管，其特征是，所述n型无机半导体层(14)为溶液法加工的电子导电的无机半导体材料。
7.根据权利要求6所述的溶液法双极性薄膜晶体管，其特征是，所述无机半导体材料为无机氧化物半导体。
8.根据权利要求1所述的溶液法双极性薄膜晶体管，其特征是，所述源/漏电极(15)的材料为导电金属。
9.根据权利要求3或8所述的溶液法双极性薄膜晶体管，其特征是，所述导电金属为金、银、铜或铝。
10.根据权利要求1所述的溶液法双极性薄膜晶体管，其特征是，所述电极修饰材料(16)为含巯基的化学单分子自组装薄膜。
11.根据权利要求1所述的溶液法双极性薄膜晶体管，其特征是，所述P型有机半导体层(17)为溶液法加工的空穴导电的有机半导体材料。
12.根据权利要求11所述的溶液法双极性薄膜晶体管，其特征是，所述有机半导体材料为小分子半导体或聚合物半导体。
13.一种用于权利要求1所述的溶液法双极性薄膜晶体管的制备方法，其特征是，具体步骤如下：
1)在绝缘衬底(11)上制备栅电极(12)，所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀、光刻、喷墨印刷或丝网印刷；
2)在所述栅电极(12)上制备栅极绝缘层(13)，所用制备方法为溶液法旋涂或刮涂绝缘层溶液；
3)在所述栅极绝缘层(13)上制备n型无机半导体层(14)，所用制备方法为旋涂、喷墨打印、丝网印刷或提拉法；
4)在所述n型无机半导体层(14)上分离地制备源/漏电极(15)，所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀、光刻、喷墨印刷或丝网印刷；
5)在所述源/漏电极(15)的表面上修饰电极修饰材料(16)，所用制备方法为将所述源/漏电极(15)在含巯基的化学单分子自组装薄膜中浸涂；
6)在所述n型无机半导体层(14)和电极修饰材料(16)上制备P型有机半导体层(17)，所用制备方法为旋涂、喷墨打印、丝网印刷或提拉法。
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