CN105006527A - 一种高亮度多色彩的有机发光场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高亮度多色彩的有机发光场效应晶体管及其制备方法，基于一种平面结构的底栅顶接触的有机场效应发光晶体管，源-漏电极使用不对称结构，整个器件从上到下依次是：分别使用高功函数金属和低功函数金属的不对称源漏电极、空穴传输层、电子传输层、表面有一定厚度的二氧化硅的硅衬底，这一结构的源漏电极不仅可以同时有效地保障电子和空穴的注入，同时在源漏电极处可看到不同颜色的发光，实现有机场效应发光晶体管的多色彩发光，并可以改变作为源漏电极的金属种类以实现发光颜色的改变。本发明的优点是，该有机场效应晶体管具有高亮度，多色彩，并可在空气中进行测试的良好性能。

Description

一种高亮度多色彩的有机发光场效应晶体管及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种有机场效应晶体管及其制备方法，具体涉及一种使用不对称源漏电极的平面结构的有机发光场效应晶体管及其制备方法，属于有机固体电子器件领域。
背景技术
有机光电子器件由于材料来源广泛、可低温加工、与柔性衬底兼容、以及成本低等优点受到了研究人员的广泛重视，从而使得有机发光二级管(organiclight-emitting diodes,OLEDs)、有机场效应晶体管(organic field-effect transistors,OFETs)、有机太阳能电池(organic photovoltaic,OPVs)、有机存储器(organicmemories)、传感器(sensors)等有机光电子器件的性能得到迅猛的发展。近年来，一类新型的有机光电子器件——有机发光场效应晶体管(OLETs)——同时集成了OFETs的开关和OLEDs的发光功能，在光通讯领域、平板显示、固体照明以及激光领域展现出巨大的应用前景。
有机发光场效应晶体管的发光原理可简述为：在栅压和源漏电压的作用下，空穴和电子分别从源极和漏极注入到有机发光材料中，在发光材料中扩散的载流子相遇形成激子。随后，形成的激子一部分发生复合，在器件的沟道内辐射发光。
有机发光场效应晶体管包括单极型有机发光场效应晶体管和双极型有机发光场效应晶体管，其中单极型发光晶体管缺陷在于载流子注入不平衡，发光效率低下。双极型发光晶体的沟道可以同时传输空穴和电子，其发光效率远高于单极型发光晶体管。双极型有机发光场效应晶体管包括双极型材料有机发光场效应晶体管和异质结型有机发光场效应晶体管两种类型。双极型材料是指该材料既是N型材料又是P型材料，用其制备的有机发光场效应晶体管以结构简单、发光效率高等优点越来越受关注，双极型材料有机发光场效应晶体管可以实现双极性传输，即可以通过调节栅电压和源漏电压来控制空穴和电子在沟道中的传输，空穴和电子在沟道中相遇复合形成激子而发光。然而，目前所报道的双极型材料有机发光场效应晶体管只能在钝性气体或真空中工作，这大大的限制了它的实际应用。
PN异质结发光晶体管的有机层是由一种N型材料和一种P型材料进行复合形成的，可以实现电子和空穴同时在沟道内传播。根据复合的方式其结构可以分为体异质结和层异质结两种，体异质结结构的有机层是同时混合蒸镀N型和P型材料，到目前为止，对体异质结的相关报道比较少，这主要是因为体异质结性能一般较差。层异质结的有机层是分别蒸镀一层N型和一层P型材料。然而上述异质结的材料一般在空气中都不稳定，受到材料的限制有机发光场效应晶体管只能在惰性气体或真空中工作。
目前所报道的文献中，有机发光场效应晶体管的源漏电极一般采用同种材料，例如Weise等人关于“Light-Emitting Field-Effect Transistor Based on aTetracene Thin Film”一文中的论述(Hepp A,Heil H,Weise W,et al.Light-EmittingField-Effect Transistor Based on a Tetracene Thin Film,Phys.Rev.Lett,2003,91:157406)。源漏电极使用同种材料导致电子和空穴两者中只能有一者能实现良好的注入，导致两种载流子的注入和传输不平衡，电子空穴在沟道中无法充分地相遇、复合，从而降低了器件的发光效率。为了解决载流子注入不平衡的问题，有文献报道使用激光蚀刻制备不对称电极，如Taishi Takenobu.等人在“CnfinementStructure and Eurrent-Coxtremely High Current Density in Organic Light-EmittingTransistors”在一文只用激光蚀刻方法制备不对称电极(Kosuke Sawabe,MasakiImakawa,Masaki Nakano,Takeshi Yamao,Shu Hotta,Yoshihiro Iwasa,and TaishiTakenobu.Cnfinement Structure and Eurrent-Coxtremely High Current Density inOrganic Light-Emitting Transistors.Adv.Mater.2012,24,6141–6146.)。倾斜蒸镀也是一种不对称电极制备方法，如Alan J.Heeger等人在“Light emission from anambipolar semiconducting polymer field-effect transistor”一文中已经使用该方法(James S.Swensen，Cesare Soci，Alan J.Heeger.Light emission from an ambipolarsemiconducting polymer field-effect transistor.APPLIED PHYSICS LETTERS 87,2535112005.)。使用上述方法制备不对称电极以实现电子和空穴的平衡注入，但是上述不对称电极的制备方法需要控制条件较多，工艺较复杂。
发明内容
发明目的：
为了解决上述机发光场效应晶体管不稳定，本发明发光场效应晶体管的有机半导体层使用PN异质结结构，该PN异质结结构在空气中性能稳定的空穴传输层隔绝了对空气敏感的电子传输层与空气的接触，使器件可以在空气中进行正常的工作。同时本发明使用不对称掩膜板，采用普通的真空蒸镀的方法制备不对称电极，能够有效地简化工艺。
技术方案：一种高亮度多色彩的有机发光场效应晶体管，所述晶体管的结构由上而下依次是：分别使用高功函数金属和低功函数金属的不对称源漏电极、有机半导体层、绝缘层、硅衬底，所述有机半导体层包括空穴传输层、电子传输层；所述电子传输层材料为N-材料，空穴传输层材料为P-材料，空穴传输层与电子传输层搭配组成PN结。器件结构图示意图如图1所示。所述的有机发光场效应晶体管，优选所述高功函数金属电极为银、锂、钙或镁电极，所述低功函数金属电极为铜或金电极。
所述的有机发光场效应晶体管，优选所述空穴传输层材料选自并五苯、DH4T、DH6T中任一。
所述的有机发光场效应晶体管，优选所述电子传输层材料为P13。
一种高亮度多色彩的有机发光场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：S1.基片的处理，包括基片的清洗，绝缘层的制备与修饰；
S2.有机半导体层的蒸镀，其中，N型电子传输材料首先蒸镀，其后蒸镀P型空穴传输材料；
S3.蒸镀电极，首先使用不对称掩膜板蒸镀一边的电极，随后，更换掩膜板，使用另一种金属蒸镀另一边电极。
上述电子传输材与空穴传输材料蒸镀成PN结，电子传输材料处于PN结下层，空穴传输材料处于PN结上层。
进一步，所述的高亮度多色彩的有机发光场效应晶体管的制备方法，步骤S1.中具体操作为：依次用丙酮、乙醇、去离子水超声8-12min清洗，清洗干净之后，用氮气将基片表面水分吹干；随后，放入温度为100-130℃的烘箱中烘干；最后旋涂有机绝缘层，随后在80-100℃的烘箱中烘干。
进一步，所述的高亮度多色彩的有机发光场效应晶体管的制备方法，步骤S2.中电子传输材料蒸镀厚度控制为15-30nm，蒸镀速率控制在空穴传输材料蒸镀厚度控制为20-30nm，蒸镀速率控制在
进一步，所述的高亮度多色彩的有机发光场效应晶体管的制备方法：步骤S3.的具体操作如下：P型空穴传输材料层上覆盖不对称电极掩膜板，蒸镀高功函数金属，保持蒸镀速率稳定，蒸镀腔内气压保持负压；更换不对称电极掩膜板，蒸镀低功函数金属，保持稳定的蒸镀速率，蒸镀腔内气压保持负压。
进一步，所述的高亮度多色彩的有机发光场效应晶体管的制备方法，步骤S3.中电极的蒸镀厚度为15-40nm。
进一步，所述的有机发光场效应晶体管的制备方法中，所述蒸镀空穴传输层材料选自并五苯、DH4T、DH6T中任一。
进一步，所述的有机发光场效应晶体管的制备方法中，所述蒸镀电子传输层材料为P13。
上述有机发光场效应晶体管的发光位置为半导体层的沟道内或源漏电极周围。在制备过程中改变电极的金属种类，以实现不同色彩的光发射。本发明的半导体层采用PN结层异质结结构，在蒸镀过程中首先蒸镀n-材料，其后蒸镀p-材料，使用稳定的p-材料隔绝空气与对空气敏感的n-材料的接触，保证器件对空气的稳定性。使用不对称掩膜板，使用普通的真空蒸镀方式，蒸镀不对称电极，源漏电极分别采用高功函数和低功函数金属，可以同时实现电子和空穴的良好注入，从而可以得到高性能高亮度的有机发光场效应晶体管。
有益效果：
本发明采用不对称电极，源漏电极分别采用高功函数和低功函数金属，可以同时实现电子和空穴的良好注入，有效地改善电子空穴的注入，增加电子空穴的相遇、复合几率，从而可以得到高性能高亮度的有机发光场效应晶体管，同时，由于源漏电极的材料不同，在源漏电极处的发射光受电极的影响，呈现不同的色彩，从而实现同一器件的多色彩发射。
本发明不对称电极采用普通的真空蒸镀的方法制备得到，能够有效地简化工艺。
同时，本器件使用PN异质结结构，在空气中性能稳定的空穴传输层置于PN结上层，隔绝了对空气敏感的电子传输层与空气的接触，从而克服了有机场效应晶体管不稳定，只能在真空或氮气中测试的缺点，在实际测试中，本发明器件可在空气中稳定，持续地发光。
附图说明
图1：本发明机发光场效应晶体管结构示意图。
图2：实施例1发光场效应晶体管结构示意图。
具体实施方式
实施例1
以半导体材料选用P13(N,N′-ditride cylperylene-3,4,9,10-tetracarboxylicdiimide)作为电子传输层，pentecane(并五苯)作为空穴传输层，电极使用Cu作为空穴注入电极，Ag作为电子注入电极为例，其器件结构如图2所示。制备时首先清洗含有一定厚度的二氧化硅的硅片基片，清洗干净之后选取合适的温度烘干，随后对基片进行紫外处理，然后在基片上分别依次蒸镀电子传输层P13和空穴传输层pentecane，在蒸镀时，注意控制蒸镀速率使其保持稳定，随后在pentecane层上覆盖不对称电极掩膜板，蒸镀高功函数金属，更换掩膜板，蒸镀低功函数金属。由于基片大小严格控制在1.5cm×1.5cm，与掩膜板尺寸相同，蒸镀时掩膜板紧贴基片表面，位置不会窜动，所以可以保证蒸镀出的沟道尺寸不会改变。
本实施例有机发光场效应晶体管具体制备方法如下
(1)基片处理，基片可选用表面覆盖有SiO2的Si片。基片处理过程包括基片的清洗，紫外处理，绝缘层的制备与修饰。绝缘层的修饰包括用OTS(十八烷基三氯硅烷)浸泡硅片，使用有机溶液在硅表面进行旋涂，紫外-臭氧处理等，绝缘层制备包括旋涂制备有机绝缘层等。该过程包括：清洗表面覆盖300nm厚的二氧化硅的重掺杂硅片基片。清洗过程包括依次用丙酮、乙醇、去离子水超声10min，清洗干净之后，用氮气将基片表面水分吹干，随后，放入温度为120℃的烘箱中烘干，将基片用紫外线照射15min，使用OTS溶液对基片进行浸泡处理24h；
(2)蒸镀电子传输层：蒸镀过程中保持蒸镀速率稳定，并注意控制厚度，蒸镀腔内气压保持在5×10-4pa以下。蒸镀厚度控制为15-30nm，蒸镀速率控制在左右。典型的可用于有机发光场效应晶体管的n-材料如P13，可与DH4T，DH6T，pentecane等空穴材料搭配组成PN结；
(3)蒸镀空穴传输层pentecane，蒸镀过程中同样保持蒸镀速率稳定并注意控制厚度，蒸镀腔内气压保持在5×10-4pa，蒸镀厚度控制为20-30nm，蒸镀速率控制在左右；
(4)在空穴传输层上覆盖不对称电极掩膜板，蒸镀高功函数金属铜，保持蒸镀速率稳定，蒸镀厚度为15-40nm，蒸镀腔内气压保持在5×10-4pa以下；
(5)更换不对称电极掩膜板，蒸镀低功函数金属银，保持蒸镀速率稳定，速率0.05nm/s左右，蒸镀厚度为15-40nm，蒸镀腔内气压保持在5×10-4pa以下。
在器件制备完成后，在空气环境中对其电学性能和光学性能进行测试。采用安捷伦B1500测试分析仪器对其进行测试，可以观察到良好的电学性能，并在栅压为负值时可观察到明显发光现象。在栅压不变时从0V以10V为步阶增大源漏电压的值，源漏电压值增至-150V后以10V为步阶增加栅压值，再从0V以10V为步阶增大源漏电压的值，如此循环，在电压增大的过程中，可明显看到发光亮度随电压增大而增强。在栅压加至-80V左右，源漏电流加至-120V左右时，可看到强烈的大面积发光现象，并且源漏电极处可看到不同颜色的发光现象，发光较为稳定，在发光时间最长的一次测试中曾连续不间断发光达半个小时。
实施例2
本实施例有机发光场效应晶体管具体制备方法如下
(1)基片处理，基片可选用柔性衬底。基片处理过程包括基片的清洗，旋涂的方法制备有机绝缘层。清洗过程包括依次用丙酮、乙醇、去离子水超声10min，清洗干净之后，用氮气将基片表面水分吹干，随后，放入温度为120℃的烘箱中烘干。使用PMMA作为有机绝缘层，可使用浓度为50mg/ml的PMMA，旋涂速度4000r/s，旋涂时间60s。随后在100℃的烘箱中烘干。有机绝缘层也可以用交联PVP进行旋涂。
(2)蒸镀电子传输层：蒸镀过程中保持蒸镀速率稳定，并注意控制厚度，蒸镀腔内气压保持在5×10-4pa以下。蒸镀厚度控制为15-30nm，蒸镀速率控制在左右。典型的可用于有机发光场效应晶体管的n-材料如P13，可与DH4T，DH6T，pentecane等空穴材料搭配组成PN结；
(3)蒸镀空穴传输层pentecane，蒸镀过程中同样保持蒸镀速率稳定并注意控制厚度，蒸镀腔内气压保持在5×10-4pa，蒸镀厚度控制为20-30nm，蒸镀速率控制在左右；
(4)在空穴传输层上覆盖不对称电极掩膜板，蒸镀高功函数金属金，保持蒸镀速率稳定，蒸镀厚度为15-40nm，蒸镀腔内气压保持在5×10-4pa以下；
(5)更换不对称电极掩膜板，蒸镀低功函数金属银，保持蒸镀速率稳定在0.05nm/s左右，蒸镀厚度为15-40nm，蒸镀腔内气压保持在5×10-4pa以下。蒸镀低功函数金属还是为如锂、钙、镁。

Claims (9)

1.一种高亮度多色彩的有机发光场效应晶体管，其特征在于，所述晶体管的结构由上而下依次是：分别使用高功函数金属和低功函数金属的不对称源漏电极、有机半导体层、绝缘层、硅衬底，所述有机半导体层包括空穴传输层、电子传输层；所述电子传输层材料为N-材料，空穴传输层材料为P-材料，空穴传输层与电子传输层搭配组成PN结。
2.根据权利要求1所述的有机发光场效应晶体管，其特征在于，所述高功函数金属电极为银、锂、钙或镁电极，所述低功函数金属电极为铜或金电极。
3.根据权利要求1所述的有机发光场效应晶体管，其特征在于，所述空穴传输层材料选自并五苯、DH4T、DH6T中任一。
4.根据权利要求1所述的有机发光场效应晶体管，其特征在于，所述电子传输层材料为P13。
5.权利要求1-4任一项所述的高亮度多色彩的有机发光场效应晶体管的制备方法，其特征在于，制备方法包括如下步骤：
S1.基片的处理，包括基片的清洗，绝缘层的制备与修饰；
S2.有机半导体层的蒸镀，其中，N型电子传输材料首先蒸镀，其后蒸镀P型空穴传输材料；
S3.蒸镀电极，首先使用不对称掩膜板蒸镀一边的电极，随后，更换掩膜板，使用另一种金属蒸镀另一边电极。
6.根据权利要求5所述的高亮度多色彩的有机发光场效应晶体管的制备方法，其特征在于：步骤S1.中具体操作为：依次用丙酮、乙醇、去离子水超声8-12min清洗，清洗干净之后，用氮气将基片表面水分吹干；随后，放入温度为100-130℃的烘箱中烘干；最后旋涂有机绝缘层，随后在80-100℃的烘箱中烘干。
7.根据权利要求5所述的高亮度多色彩的有机发光场效应晶体管的制备方法，其特征在于：步骤S2.中电子传输材料蒸镀厚度控制为15-30nm，蒸镀速率控制在空穴传输材料蒸镀厚度控制为20-30nm，蒸镀速率控制在
8.根据权利要求5所述的高亮度多色彩的有机发光场效应晶体管的制备方法，其特征在于：步骤S3.的具体操作如下：P型空穴传输材料层上覆盖不对称电极掩膜板，蒸镀高功函数金属，保持蒸镀速率稳定，蒸镀腔内气压保持负压；更换不对称电极掩膜板，蒸镀低功函数金属，保持稳定的蒸镀速率，蒸镀腔内气压保持负压。
9.根据权利要求8所述的高亮度多色彩的有机发光场效应晶体管的制备方法，其特征在于：步骤S3.中电极的蒸镀厚度为15-40nm。
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