CN103594626A - 有机薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有机薄膜晶体管，主要由基板、栅电极、栅绝缘层、源漏电极及有机半导体层组成，有机半导体层作为有源层，在源漏电极和有机半导体层之间还设有电极修饰层，电极修饰层通过在源漏电极上固定DNA分子材料自组装而形成。本发明公开了一种有机薄膜晶体管。本发明在电极表面固定DNA分子材料，在电极的表面自发形成高度有序的DNA单分子膜，从而提高了底接触OTFT的电荷注入，有效提高有机薄膜晶体管的输出电流和减小有机薄膜晶体管的阈值电压，提高器件的迁移率和开关比，降低器件的夹断电压。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光器件及其制备工艺，特别是涉及一种场效应晶体管器及其制备工艺，应用于电致发光器件制备技术领域。
背景技术
有机薄膜晶体管(OTFT)是以有机半导体材料为有源层的场效应晶体管器。与无机薄膜晶体管相比，有机薄膜晶体管具有更多的优点：有机薄膜的成膜技术更多、更方便；器件的尺寸更小、集成度更高；器件的制作工艺较为简单，能够有效地降低器件的成本；可通过适当修饰有机分子结构来提高器件性能；全部由有机材料制备的“全有机”场效应晶体管呈现出非常好的柔韧性，质量轻且携带方便可实现大面积化显示器件的控制。 随着高迁移率有机半导体材料、薄膜物理和器件工程等方面研究的快速发展，OTFT 的迁移率、开关电流比等性能已达到或超过非晶硅(α-Si:H)晶体管器件的水平，因此，其在液晶和有机电致发光显示器、有源驱动电路、传感器、电子标签和互补逻辑电路中有着广阔的应用前景。
一般我们认为顶接触OTFT的器件性能要优于底接触型，因为顶接触器件的载流子传输相对好一些。对于底接触型器件，载流子从源极注入，经过沟道从漏极流出。由于是半导体有机物蒸镀时向金属和绝缘层扩散，因此界面接触没有金半接触好。同时接触面积比顶接触要小的多，因此总体来说顶接触比底接触的电学性能好。从成膜方式来看，半导体层分别沉积在金属电极和绝缘层两种介质上，因此交界处的薄膜生长不均匀，不连续，在电极和绝缘层之间的界面也会存在大量缺陷，进而增大接触电阻，导致器件的电学性能比顶接触性的器件要差很多。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种有机薄膜晶体管及其制备方法，在电极表面固定DNA分子材料，在电极的表面自发形成高度有序的DNA单分子膜，从而提高了底接触OTFT的电荷注入，有效提高有机薄膜晶体管的输出电流和减小有机薄膜晶体管的阈值电压，提高器件的迁移率和开关比，降低器件的夹断电压。
为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：
一种有机薄膜晶体管，主要由基板、栅电极、栅绝缘层、源漏电极及有机半导体层组成，有机半导体层作为有源层，在源漏电极和有机半导体层之间还设有电极修饰层，电极修饰层通过在源漏电极上固定DNA分子材料自组装而形成。
对于上述电极修饰层，DNA分子优选为单链分子、双链分子、线状分子、环状分子中的任意一种或任意多种，对DNA分子进行修饰的官能团优选为羟基（-OH）、巯基（-SH）和羧基（-COOH）基团中的任意一种。
上述源漏电极的材料优选采用Au、Ag、Mo、Al、Cu、Cr、Ti、Mg和Ca中的任意一种或任意多种，或者采用锡氧化物(ITO)或铟锌氧化物(IZO)导电薄膜，具有良好的物理性质和化学性质。
上述有机半导体层优选采用 
键的共轭体系有机半导体材料制成，为酞菁铜(CuPc)、并五苯(Pentacene)、红荧烯（Rubrene）和DPh-BTBT中任意一种P型材料，或者为氟代酞菁铜(F16CuPc)、C60和DFB4T中任意一种N型材料，或者为PPTQT、PCBM和DC-NAP中任意一种双极型材料，具有稳定的电化学特性。有机半导体层采用的
键的共轭体系材料典型结构式如下：
上述基板优选采用硅片、玻璃、塑料和陶瓷中任意一种材料制成，形成钢性衬底或者柔性衬底。
上述栅电极材料优选为金属、金属氧化物或者导电聚合物，具体为Au、Ag、Al、Ni、铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)和聚乙炔中的任意一种。
上述栅绝缘层的材料优选为二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4）、氧化铊（Ta2O5）、氧化铝（Al2O3）、氧化钛（TiO2）、氧化锆（ZrO2）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚酰亚胺（PM）、聚乙烯苯酚（PVP）、聚苯乙烯（PS）、聚乙烯醇（PVA）的一种或多种材料制备的薄膜 ，形成介电常数很高的绝缘体。
本发明还提供了一种有机薄膜晶体管的制备方法，各结构层分别采用下述方法按结构层次序依次逐层制备：
a. 选用带有绝缘层的基板衬底；
b. 对基板衬底进行清洗，清洗后干燥；
c. 在基板衬底表面制备栅电极；
d. 采用溅射或蒸发方法，在栅电极的上面制备栅绝缘层；
e. 然后采用溅射或蒸发的方法，在栅绝缘层上制备源电极和漏电极；
f. 在源电极和漏电极上固定DNA分子，通过DNA自组装而形成电极修饰层，并冲洗干净，冲洗后干燥；
g. 采用真空蒸发方法或旋涂的方法，在源电极和漏电极之间沟道中裸露的栅绝缘层表面上和电极修饰层上一并制备均匀连续的有机半导体层，用物理吸附法将电极修饰层中的DNA分子固定到有机半导体层的有机薄膜表面上；当采用真空蒸发方法制备有机半导体层时，控制真空度小于10-3Pa。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
本发明不同于传统的溶液自组装分子层，直接在金电极表面通过化学键固定DNA，改善金属电极和有机半导体层的接触以及载流子的注入，提高器件的迁移率和开关比，降低器件的夹断电压。
附图说明
图1是本发明实施例一有机薄膜晶体管的结构示意图。
图2是用本发明实施例一带巯基的DNA对源漏电极进行修饰的示意图。
图3是传统的未修饰电极的薄膜晶体管和本发明实施例一固定有SH-DNA的有机晶体管的最大饱和电流的输出曲线对比。
图4是传统的未修饰电极的薄膜晶体管和本发明实施例一固定有SH-DNA的有机晶体管的转移特性曲线对比。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1和图2，一种有机薄膜晶体管，主要由基板1、栅电极2、栅绝缘层3、源漏电极4及有机半导体层6组成，有机半导体层6作为有源层，在源漏电极4和有机半导体层6之间还设有电极修饰层5，电极修饰层5通过在源漏电极4上固定巯基的单链DNA分子材料自组装而形成。
在本实施例中，参见图1和图2，有机薄膜晶体管的制备方法，各结构层分别采用下述方法按结构层次序依次逐层制备：
a. 选用带有绝缘层的基板衬底；
b. 对基板衬底进行清洗，清洗后干燥；
c. 在基板衬底表面制备栅电极；
d. 采用溅射或蒸发方法，在栅电极的上面制备栅绝缘层；
e. 然后采用溅射或蒸发的方法，在栅绝缘层上制备源电极和漏电极；
f. 在源电极和漏电极上固定巯基DNA分子，通过DNA自组装而形成电极修饰层，并冲洗干净，冲洗后干燥；
g. 采用真空蒸发方法或旋涂的方法，在源电极和漏电极之间沟道中裸露的栅绝缘层表面上和电极修饰层上一并制备均匀连续的有机半导体层，用物理吸附法将电极修饰层中的巯基DNA分子固定到有机半导体层的有机薄膜表面上，当采用真空蒸发方法制备有机半导体层时，控制真空度小于10-3Pa。
在本实施例中，参见图1和图2，用一侧带巯基的DNA对源漏电极4进行修饰，再采用P型半导体材料并五苯作为有源层。选用重掺杂单晶硅片作为基板1，在上面热氧化一层SiO2作为栅绝缘层3，随后利用掩模板热蒸发25nm厚的Au作为源漏电极4，控制真空度10-4Pa，两电极间沟道长度为180μm，宽度为3800μm。接着在金电极表面滴凃带巯基的DNA溶液，并放在真空环境下固定30分钟，然后用PBS缓冲溶液冲洗片子，将片子上多余的未固定的DNA分子冲掉，用冷风轻轻将残留在片子上的水珠吹干，之后将固定有巯基单链DNA的片子放到真空腔体内干燥10小时。最后利用真空蒸发技术在源漏电极4上面形成一层30nm厚的并五苯，作为p型有源层，沉积速率0.01nm/s，基板1温度维持在室温恒定。重掺杂单晶硅片的电导为0.01-0.015 Ω·cm，用做栅电极2。以上过程制备的为对金电极进行巯基DNA修饰的P型有机薄膜晶体管。
对比例：
本对比例薄膜晶体管的结构与实施例一有机薄膜晶体管结构基本相同，特别之处在于跟传统的底接触有机薄膜晶体管相同，未对金电极进行处理。具体实施说明如下：
选用重掺杂单晶硅片作为基板1，在上面热氧化一层SiO2作为栅绝缘层3，随后利用掩模板热蒸发25nm厚的Au作为源漏电极4，控制真空度10-4Pa，两电极间沟道长度为180μm，宽度为3800μm。重掺杂单晶硅片的电导为0.01-0.015 Ω·cm，用做栅电极2）。最后利用真空蒸发技术蒸镀形成一层30nm厚的并五苯，作为p型有源层，沉积速率0.01nm/s，基板1）温度维持室温恒定。以上过程也制备的为p型有机薄膜晶体管。
参见图3和图4，对比对比例中的传统的未修饰电极的薄膜晶体管和本发明实施例一固定有SH-DNA的有机晶体管电学特性可知：
参见图3，对于传统的未修饰电极的薄膜晶体，当加负栅压的时候，线性区饱和区电流随栅压变化明显，栅极电压为-100V时，晶体管的开态电流为19.7μA。参见图4转移特性曲线可知，迁移率为0.08 cm2 /( V·S)，阈值电压为2V。
参见图3，对于利用带巯基的单链DNA对源漏电极进行修饰的有机薄膜晶体管，施加一个合适的偏压，电学性能发生了明显的变化。在栅极电压为-100V时，开态电流增加到46.7μA。参见图4，迁移率增加到0.31 cm2 /( V·S)，阈值电压降低到-8V, 饱和电流之比为2.4。
参见图3和图4可见，实施例一不同于传统的溶液自组装分子层，直接在金电极表面通过化学键固定DNA，改善金属电极和有机半导体层的接触以及载流子的注入，提高器件的迁移率和开关比，降低器件的夹断电压。实施例一有机薄膜晶体管依据是分子自组作用，由于巯基HS(CH2)6与纳米金之间的化学键Au-S作用，在金电极的表面自发形成高度有序的单分子膜，从而提高金属电极和有机半导体层之间的电荷注入。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
其中基板1、栅电极2和栅绝缘层3还采用相关材料替换制备类似的有机薄膜晶体管。栅绝缘层3制备工艺除热氧化一层SiO2外，还可以采用磁控溅射等方法在硅片上沉积一层N2O5、TiO2、AlN3、Si3N4或Ta2O5相关材料，聚合物绝缘层包括PMMA、PVA、PS等，用旋涂方法制备。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明有机薄膜晶体管及其制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种有机薄膜晶体管，主要由基板（1）、栅电极（2）、栅绝缘层（3）、源漏电极（4）及有机半导体层（6）组成，所述有机半导体层（6）作为有源层，其特征在于：在所述源漏电极（4）和所述有机半导体层（6）之间还设有电极修饰层（5），所述电极修饰层（5）通过在所述源漏电极（4）上固定DNA分子材料自组装而形成。
2.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于：对于所述电极修饰层（5），DNA分子为单链分子、双链分子、线状分子、环状分子中的任意一种或任意多种，对DNA分子进行修饰的官能团为羟基（-OH）、巯基（-SH）和羧基（-COOH）基团中的任意一种。
3.根据权利要求2所述的有机薄膜晶体管，其特征在于：所述源漏电极（4）的材料采用Au、Ag、Mo、Al、Cu、Cr、Ti、Mg和Ca中的任意一种或任意多种，或者采用锡氧化物(ITO)或铟锌氧化物(IZO)导电薄膜。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的有机薄膜晶体管，其特征在于：所述有机半导体层（6）采用 
键的共轭体系有机半导体材料制成，为酞菁铜(CuPc)、并五苯(Pentacene)、红荧烯（Rubrene）和DPh-BTBT中任意一种P型材料，或者为氟代酞菁铜(F16CuPc)、C60和DFB4T中任意一种N型材料，或者为PPTQT、PCBM和DC-NAP中任意一种双极型材料。
5.根据权利要求1～3中任意一项所述的有机薄膜晶体管，其特征在于：所述基板（1）采用硅片、玻璃、塑料和陶瓷中任意一种材料制成。
6.根据权利要求1～3中任意一项所述的有机薄膜晶体管，其特征在于：所述栅电极（2）材料为金属、金属氧化物或者导电聚合物，具体为Au、Ag、Al、Ni、铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)和聚乙炔中的任意一种。
7.根据权利要求1～3中任意一项所述的有机薄膜晶体管，其特征在于：所述栅绝缘层（3）的材料为二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4）、氧化铊（Ta2O5）、氧化铝（Al2O3）、氧化钛（TiO2）、氧化锆（ZrO2）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚酰亚胺（PM）、聚乙烯苯酚（PVP）、聚苯乙烯（PS）、聚乙烯醇（PVA）的一种或多种材料制备的薄膜 。
8.一种权利要求1所述的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，各结构层分别采用下述方法按结构层次序依次逐层制备：
a. 选用带有绝缘层的基板衬底；
b. 对基板衬底进行清洗，清洗后干燥；
c. 在基板衬底表面制备栅电极；
d. 采用溅射或蒸发方法，在栅电极的上面制备栅绝缘层；
e. 然后采用溅射或蒸发的方法，在栅绝缘层上制备源电极和漏电极；
f. 在源电极和漏电极上固定DNA分子，通过DNA自组装而形成电极修饰层，并冲洗干净，冲洗后干燥；
g. 采用真空蒸发方法或旋涂的方法，在源电极和漏电极之间沟道中裸露的栅绝缘层表面上和电极修饰层上一并制备均匀连续的有机半导体层，用物理吸附法将电极修饰层中的DNA分子固定到有机半导体层的有机薄膜表面上。
9.根据权利要求8所述的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：DNA分子为单链分子、双链分子、线状分子、环状分子中的任意一种或任意多种，对DNA分子进行修饰的官能团为羟基（-OH）、巯基（-SH）和羧基（-COOH）基团中的任意一种。
10.根据权利要求8或9所述的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：当采用真空蒸发方法制备有机半导体层时，控制真空度小于10-3Pa。
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