CN104900557A - 赛贝克系数测量结构、测量结构制备方法及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种测量结构，包括绝缘衬底、栅电极、栅绝缘层、有机半导体材料的有源层，其中，多个温度传感器连接线分别连接至有源层的源漏区，多个温度控制线分别连接至与源漏区相连的多个温度传感器连接线的一部分。依照本发明的测量结构、制备方法和测量方法，在有机半导体层源漏两侧形成多个温度传感器连接线、以及分别连接至源漏两侧温度传感器连接线的温度控制线，通过四端接触法测量样品的温度和电压进而测算样品的赛贝克系数，以高效低成本方式提高了测量精度。

Description

赛贝克系数测量结构、测量结构制备方法及测量方法

技术领域

本发明属于有机半导体器件的技术领域，尤其涉及一种测量结构、该测量结构制备方法以及采用该测量结构测量热电赛贝克系数的方法。

背景技术

有机半导体材料具有柔性、透明、低成本、可大面积制造等优点，具有广阔的应用前景。过去20年里，有机半导体材料取得了巨大的进展，各种基于有机半导体材料的器件不断涌现，例如有机薄膜晶体管、有机太阳能电池、有机场效应晶体管等。目前，国外已经开始出现柔性、透明、可印刷制造的射频电子标签等低端应用产品。基于有机半导体的薄膜晶体管，是柔性、透明电子电路中最核心的元件，其器件性能不断提升，器件迁移率可达到0.1～10μm/cm²s，器件工作电压可降低到5V左右。

一般地，温度和栅电压依赖的场效应迁移率是一种最为常用的描述有机薄膜晶体管(OTFT)性能的手段。但是，当晶体管的沟道长度不断减小，操作电压不断下降时，界面的接触效应对于场效应迁移率将产生严重的影响。为了能够更加准确的表征有机半导体材料的特性，需要开发一些新的方法。

赛贝克系数是表征有机半导体材料特性的另一个重要的参数。由于赛贝克电压是与界面接触无关的量，因此，相对于场效应迁移率，赛贝克系数将更加能反映有机半导体材料的本征特性。为了能够通过赛贝克系数合理地表征有机半导体材料的特性，前提条件是需要能够从实验上准确测量其值。目前关于有机半导体材料赛贝克系数的研究还在不断地发展中，相关的技术手段还有待于深入的研究。

发明内容

由上所述，本发明的目的在于针对目前有机半导体材料在热电特性上研究的不足，提供一种能高效、稳定、低成本地测量有机半导体材料赛贝克系数的方法。

为此，本发明提供了一种测量结构，包括绝缘衬底、栅电极、栅绝缘层、有机半导体材料的有源层，其中，多个温度传感器连接线分别连接至有源层的源漏区，多个温度控制线分别连接至与源漏区相连的多个温度传感器连接线的一部分。

其中，绝缘衬底材料为表面带绝缘层的半导体衬底、SOI衬底、AlN、蓝宝石、玻璃、塑料。

其中，栅电极和/或温度传感器连接线和/或温度控制线的材料为金属、所述金属的合金、所述金属的导电氧化物、所述金属的导电氮化物、所述金属的导电硅化物。其中，所述金属选自Pt、Au、W、Pd、Cu、Ag、Ni、Al、Ti、Ta、Co、Ir、Zn的任一种或其组合。

其中，栅绝缘层材料为PMMA。

其中，栅电极和/或温度传感器连接线和/或温度控制线的宽度为1～2mm，厚度为100～500nm。

其中，绝缘衬底厚度为1～10mm。

其中，有源层长度为1～10mm，宽度为100μm～1mm，厚度为500～1000nm。

其中，相邻温度传感器连接线之间间距为10～500μm。

其中，相邻温度控制线之间间距为100nm～500μm。

本发明还提供了一种测量结构制备方法，包括：在绝缘衬底上形成栅电极、栅绝缘层、有机半导体材料的有源层；在绝缘衬底上形成多个温度传感器连接线，分别连接至有源层的源漏区；在绝缘衬底上形成多个温度控制线，分别连接至与源漏区相连的多个温度传感器连接线的一部分。

其中，栅电极和/或多个温度传感器连接线和/或多个温度控制线的制备方法为电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、磁控溅射方法。

其中，栅绝缘层制备方法为电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、磁控溅射、喷涂、丝网印刷、凝胶-溶胶。

其中，有源层制备方法为机械剥离、化学气相沉积。

本发明进而提供了一种使用如上所述的测量结构测量有机半导体材料赛贝克系数的方法，包括：使用四端接触法测量所述测量结构的有机半导体材料的电阻值；将测得电阻值转换成有机半导体材料的温度值；测量温度传感器连接线的热电压；采用以下公式计算有机半导体材料的赛贝克系数：

其中，通过使用步进温度扫描法和在等温条件下测量获得的电阻值对温度值进行校正。

其中，所述测量结构置于高真空条件下。

依照本发明的测量结构、制备方法和测量方法，在有机半导体层源漏两侧形成多个温度传感器连接线、以及分别连接至源漏两侧温度传感器连接线的温度控制线，通过四端接触法测量样品的温度和电压进而测算样品的赛贝克系数，以高效低成本方式提高了测量精度。

附图说明

以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：

图1为依照本发明的测量结构的透视图；

图2为依照本发明的测量结构制备方法的分步透视图。

具体实施方式

以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了能高效、稳定、低成本地测量有机半导体材料赛贝克系数的方法。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种器件结构或制造工序。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰器件结构或制造工序的空间、次序或层级关系。

如图1所示，为依照本发明的测量有机半导体材料赛贝克系数的测量结构的透视图。其包括绝缘衬底11、在绝缘衬底11上的栅电极12、在栅电极12上的栅绝缘层13、在栅绝缘层13上并且横跨了栅绝缘层13和栅电极12的有机半导体有源层(图中并未采用附图标记标出)。多个(在本发明优选实施例中为四个，此外也可以是更多的六个、八个、十个、十二个等等)温度传感器连接线14、15、16、17布置在绝缘衬底11上，分别连接有机半导体有源层的源区和漏区(图1中栅极12左侧例如为源极区，右侧例如为漏极区)并将其进一步连接至外设的温度传感器(未示出)。并且优选地，多个温度传感器连接线用作OTFT的源漏电极。进一步优选地，多个温度传感器连接线为偶数个并且对称分布。多个温度控制线18、19连接至多个温度传感器连接线的一部分并进一步连接至外设的温度控制器(例如为可调电压源和/或电流源，未示出，通过调节有源层上电流和/或电压从而变更加热或冷却方式，进而达到控制温度的目的)，在本发明优选实施例中为位于同一侧的温度传感器连接线15、17。

其中，绝缘衬底11材质可以是带有表面绝缘层的半导体衬底，例如带有200nm厚SiO₂绝缘层的Si衬底，例如SOI衬底，也可以是AlN、蓝宝石、玻璃、塑料等全部由绝缘材料构成的衬底。绝缘衬底11厚度例如为1mm～10mm。

其中，栅电极11、温度传感器连接线14/15/16/17、温度控制线18/19材质可以是：选自Pt、Au、W、Pd、Cu、Ag、Ni、Al、Ti、Ta、Co、Ir、Zn的金属，这些金属的合金，这些金属的导电氮化物(例如TiN、TaN、WN等)，这些金属的导电氧化物(例如IrO_x、ITO、IZO、IGZO、AZO等)，或这些金属的导电硅化物(例如NiSi、PtSi、TiSi、WSi、CoSi等)。优选地，温度传感器连接线14/15/16/17的电导率大于栅电极11、温度控制线18/19的电导率(相应地，其电阻率较小)，而栅电极11、温度控制线18/19的热导率大于温度传感器连接线14/15/16/17的热导率(相应地，其热阻率较小)。在本发明一个优选实施例中，栅电极、温度控制线为Pt、Au、Ag、Cu等材质(优选为与Cu的合金，或至少包括Cu的子层)，而温度传感器连接线为Pt、Au、Ag材质，如此可以有效地提高温度测量的准确性。

其中，栅电极11的宽度(沿OTFT沟道区延伸方向的尺度)为1mm～2mm，厚度为100nm～500nm。温度传感器连接线14/15/16/17、温度控制线18/19的宽度(沿垂直于OTFT沟道区延伸方向的尺度)可以是1mm～2mm，厚度为100nm～500nm。相同一侧(例如均连接源极或漏极)的温度传感器连接线(例如16、17，或者14、15)之间间距为10～500μm。连接至不同侧温度传感器连接线(例如15与17)的温度控制线18、19之间间距为100nm～500μm。

其中，有机半导体有源层的材料为待测量的有机半导体，例如包含具有特定分子量的共轭聚合有机物、诸如共轭低聚物、多环芳香烃(如多并苯(并五苯)、多烯)；例如酞酸氰化物，诸如CuPc、F₁₆CuPc、NiPc、CoPc、ZnPc、H₂Pc、TiOPc、VOPc、F₁₆ZnPc、并五苯；例如双酞箐金属、H₂Nc、CoNc、CuNc、ZnNc、NiNc等；例如有机芘氧自由基半导体层，诸如2-芘基-4,4,5,5-四甲基咪唑啉-1-氧基自由基；例如喹吖啶酮衍生物；例如C₆₀等等。有机半导体有源层长度(例如沿沟道区延伸方向)为1mm～10mm，宽度(例如垂直于沟道区延伸方向，例如与栅极交叉区域)为100μm～1mm，厚度为500～1000nm。

其中，栅绝缘层13为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、其他低k材料、其他高k材料等等。在本发明一个优选实施例中，栅绝缘层13为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，如此以提高柔性、透光性、以及与有机半导体有源层的接合强度，提高温度稳定性、进一步提高有机半导体材料赛贝克系数测量精度。

如图2所示为依照本发明测量结构的制备方法。

首先，例如采用电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积或磁控溅射方法，在绝缘衬底11上形成栅电极12。绝缘衬底11、栅电极12的材质和尺寸如前所述。

其次，例如采用电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、磁控溅射、喷涂、丝网印刷、凝胶-溶胶等方法，在栅电极12上形成栅绝缘层13。栅绝缘层13材料如前所述，尺寸优选地至少大于栅电极12以便于在沟道区完全覆盖或包裹栅电极12。

接着，在栅绝缘层13上形成有机半导体有源层，例如采用机械剥离或者是化学气相沉积的方法。

然后，例如采用电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积或磁控溅射方法，在绝缘衬底11上形成连接了有机半导体有源层的源漏区的多个温度传感器连接线14、15、16、17。连接线分布在栅电极12的两侧。连接线14～17的材料与尺寸如前所述。

最后，例如采用电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积或磁控溅射方法，在绝缘衬底11上形成分别连接了与源漏区相连的温度传感器连接线的多个温度控制线18、19，使得温度控制线也分布在栅电极12的两侧并且位于温度传感器连接线的同一侧。例如，温度控制线18连接至与源区相连的温度传感器连接线17，温度控制线19连接至与漏区相连的温度传感器连接线15。温度控制线18、19的材料与尺寸如前所述。

优选地，可以采用相同的材料与工艺一步制作出温度传感器连接线与温度控制线。

如上所述制备工艺最终得到的测量结构如图1所示。

在应用如图1所示测量结构对OTFT的有机半导体有源层材料的赛贝克系数进行测量的方法中，优选采用四端接触法测量样品的温度和电压。

具体地，首先使用电流源(例如Keithley 6221型)测量温度传感器连接线的电阻值，例如将测量仪的四个输入端夹子或探针分别电连接至四个温度传感器连接线14～17。

然后，用电阻温度系数仪器把测量的电阻值转换成温度值T，例如事先测量大批量OTFT，记录下有机半导体有源层的电阻值与温度值之间的相互关系，或者从测试仪器设备的存储器(例如ROM)中读取预先写入的电阻-温度相互关系，然而根据通过多个温度传感器连接线测得的分布式电阻数值转换成待测OTFT的温度值。

接着，测量温度传感器连接线的热电压V，例如使用2182A型毫微伏特计，将测量仪的四个输入端夹子或探针分别电连接至四个温度传感器连接线14～17。温度控制线18、19外接温度控制器(未示出)，通过温度控制器的加热或冷却方式，进而达到控制温度的目的。

随后，采用如下的公式(1)计算样品的赛贝克系数：

$S=\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\ΔT}}---\left(1\right)$

其中，ΔV是热电压的变化值，ΔT是温度变化值，S代表热电压随温度的变化速率。优选地，通过使用步进温度扫描法和在等温条件下测量获得的电阻值从而对温度值进行校正。

优选地，为保证测量的准确性，对包含上述测量结构的OTFT测量需置于高真空条件下，例如真空度大于(也即测试腔室内气压小于)1.0×10^-4Pa。

在本发明的一个实施例中，首先，利用电子束蒸发工艺，在带有200nm厚SiO₂的绝缘层的Si衬底上，磁控溅射200nm的Au薄膜作为金属栅电极；然后，利用化学沉积方法在金属栅电极上沉积PMMA绝缘层；然后采用化学气相沉积法将有机材料转移到PMMA绝缘层；然后利用磁控溅射方法在有机材料的侧面沉积四个厚度为200nm的温度传感器连接线，其间隔为50μm；最后用磁控溅射法制备两个厚度为200nm的用于控制材料温度的金属线。在制备好器件后，使用Keithley6221型电流源测量温度传感器连接线的电阻值，然后用电阻温度系数把测量的电阻值转换成温度值；使用2182A型毫微伏特计测量温度传感器连接线热电压；最后通过上述公式(1)计算出材料的赛贝克系数。

此外，虽然本申请附图1公开了底栅结构的OTFT测量结构，但是本申请也同样可以适用于顶栅结构的OTFT，例如栅电极、栅绝缘层分布在有机半导体有源层之上。

依照本发明的测量结构、制备方法和测量方法，在有机半导体层源漏两侧形成多个温度传感器连接线、以及分别连接至源漏两侧温度传感器连接线的温度控制线，通过四端接触法测量样品的温度和电压进而测算样品的赛贝克系数，以高效低成本方式提高了测量精度。

尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对器件结构或方法流程做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或材料的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的器件结构及其制造方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种测量结构，包括绝缘衬底、栅电极、栅绝缘层、有机半导体材料的有源层，其中，多个温度传感器连接线分别连接至有源层的源漏区，多个温度控制线分别连接至与源漏区相连的多个温度传感器连接线的一部分。

2.如权利要求1的测量结构，其中，绝缘衬底材料为表面带绝缘层的半导体衬底、SOI衬底、AlN、蓝宝石、玻璃、塑料；任选地，栅电极和/或温度传感器连接线和/或温度控制线的材料为金属、所述金属的合金、所述金属的导电氧化物、所述金属的导电氮化物、所述金属的导电硅化物，可选地，所述金属选自Pt、Au、W、Pd、Cu、Ag、Ni、Al、Ti、Ta、Co、Ir、Zn的任一种或其组合；任选地，栅绝缘层材料为PMMA。

3.如权利要求1的测量结构，其中，栅电极和/或温度传感器连接线和/或温度控制线的宽度为1～2mm，厚度为100～500nm；任选地，绝缘衬底厚度为1～10mm。

4.如权利要求1的测量结构，其中，有源层长度为1～10mm，宽度为100μm～1mm，厚度为500～1000nm。

5.如权利要求1的测量结构，其中，相邻温度传感器连接线之间间距为10～500μm；任选地，相邻温度控制线之间间距为100nm～500μm。

6.一种测量结构制备方法，包括：

在绝缘衬底上形成栅电极、栅绝缘层、有机半导体材料的有源层；

在绝缘衬底上形成多个温度传感器连接线，分别连接至有源层的源漏区；

在绝缘衬底上形成多个温度控制线，分别连接至与源漏区相连的多个温度传感器连接线的一部分。

7.如权利要求6的测量结构制备方法，其中，栅电极和/或多个温度传感器连接线和/或多个温度控制线的制备方法为电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、磁控溅射方法；任选地，栅绝缘层制备方法为电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、磁控溅射、喷涂、丝网印刷、凝胶-溶胶；任选地，有源层制备方法为机械剥离、化学气相沉积。

8.一种使用如权利要求1的测量结构测量有机半导体材料赛贝克系数的方法，包括：

使用四端接触法测量所述测量结构的有机半导体材料的电阻值；

将测得电阻值转换成有机半导体材料的温度值T；

测量温度传感器连接线的热电压V；

采用公式S＝ΔV/ΔT计算有机半导体材料的赛贝克系数。

9.如权利要求8的方法，其中，通过使用步进温度扫描法和在等温条件下测量获得的电阻值对温度值进行校正。

10.如权利要求8的方法，其中，所述测量结构置于高真空条件下。