CN106340588A - 一种自组装膜优化的n型有机场效应晶体管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种n型有机场效应晶体管的制备方法，它包括SiO2/Si基片的预处理，还包括基片的自组装处理：将十八烷基膦酸(ODPA)溶于无水四氢呋喃中，配制0.6mmol/L的溶液，用提拉法在预处理的SiO2/Si基片上生长十八烷基膦酸(ODPA)薄膜；真空蒸镀有机半导体NDI‑C14层：在真空压力小于1×10‑4Pa下，在基片温度25‑120℃下以/秒的速率蒸镀80nm的NDI‑C14层；然后，在基片温度25℃下，真空压力小于1.5×10‑4Pa下，以/秒的速率蒸镀50nm的金电极，制得n型有机场效应晶体管器件。本发明的优点是：通过自组装膜修饰后能得到有序的晶体状NDI‑C14有机多晶薄膜，优化了晶体管器件的载流子传输性能，获得了性能优良(在空气中电子迁移率较高)的n型有机场效应晶体管。
Description
技术领域
本发明属于晶体管的制备方法，具体涉及到一种n型有机场效应晶体管的制备方法。
背景技术
N型有机半导体材料作为双极性逻辑互补电路中不可或缺的组成部分，其研究和应用价值非常高，但是，由于很多n型小分子场效应材料自身的稳定性差，与常用金属电极的功函匹配度不高，对器件制备和测试环境的要求非常苛刻(真空环境或惰气氛围)。因此通过自组装分子层(SAMs)修饰绝缘层表面，优化器件制备工艺，对改善n型半导体材料在器件制备中的结晶状况和器件结构，进而提高器件性能，有很重要的意义。
发明内容
针对n型有机场效应晶体管制备中存在的困难，本发明所要解决的技术问题就是提供一种有机薄膜晶体管的制备方法，它能获得有序的晶体状有机薄膜，提高n型(如NDI-C14)有机薄膜晶体管的空气稳定性和电子迁移率。
本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，包括SiO2/Si基片的预处理，在基片绝缘层表面组装自组装薄膜以及器件制备三部分，具体步骤如下：
第一步SiO2/Si基片的预处理：将切割好的SiO2/Si基片置于丙酮中超声清洗10分钟，用氮气枪吹干之后将基片置于H2SO4(98％)∶H2O2(30％)＝7∶3溶液中，在100℃(溶液微沸)下处理1小时；取出后用去离子水清洗，氮气枪吹干，再置于NH3.H2O(30％)∶H2O2(30％)∶H2O＝1∶1∶5溶液中，在70℃(溶液微沸)下处理30分钟，取出后用去离子水清洗，氮气枪吹干，基片清洁工作完成；
第二步基片的自组装处理：将十八烷基膦酸(ODPA，化学结构见图1，)溶于无水四氢呋喃中，配制0.6mmol/L的溶液，用提拉法在预处理的SiO2/Si基片上组装上十八烷基膦酸(ODPA)的自组装薄膜，在140℃下真空干燥箱内煅烧48小时，然后取出，用无水四氢呋喃超声清洗处理后的SiO2/Si基片10分钟，去离子水清洗后用氮气枪吹干；
第三步真空蒸镀有机半导体层：将自组装有十八烷基膦酸(ODPA)薄膜的基片置于真空蒸镀仪中，在真空压力不大于1×10-4Pa下，在基片温度25-110℃下，以的速率蒸镀80nm的有机半导体NDI-C14(化学结构见图1)层；
第四步真空蒸镀金电极，在真空压力不大于1.5×10-4Pa下，在基片温度为室温的条件下，以的速率蒸镀50nm金作为电极，制得NDI-C14有机半导体薄膜晶体管器件。(器件结构见图2)
本方法发明制得的NDI-C14有机薄膜晶体管器件以硅作栅电极、SiO2作绝缘层、十八烷基膦酸作自组装膜、NDI-C14作有机半导体层、金(Au)作漏电极和源电极，构成顶接触式(TC)的薄膜晶体管。该NDI-C14有机薄膜晶体管在空气环境中的载流子迁移率(电子传输性能)为0.02～0.09cm2/V·s。
由于本方法发明一方面利用特殊的膦酸自组装分子层(SAMs)来诱导半导体层材料(NDI-C14)有效形成高度有序的结晶膜，从而最大效率的提高分子间π-π作用，改善层与层之间的载流子传输效能；另一方面通过优化晶体管器件制备工艺，优化器件结构。本发明具有如下的优点：获得有序的晶体状有机半导体薄膜，提高了有机薄膜晶体管的载流子迁移效率。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1，十八烷基膦酸(ODPA)和有机半导体材料NDI-C14的化学结构示意图；
图2，n型有机场效应晶体管结构示意图，(SAMs为ODPA自组装薄膜)；
图3，晶体管器件有机半导体层表面的原子力显微镜图，(a)高度图，(b)3D图；
图4，器件的输出特性曲线图和转移特性曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明：
实施例1
第一步SiO2/Si基片的预处理：将切割好的SiO2/Si基片置于丙酮中超声清洗10分钟，用氮气枪吹干之后将基片置于H2SO4(98％)∶H2O2(30％)＝7∶3溶液中，在100℃下处理1小时；取出后用去离子水清洗，氮气枪吹干，再置于NH3.H2O(30％)∶H2O2(30％)∶H2O＝1∶1∶5溶液中，在70℃下处理30分钟，取出后用去离子水清洗，氮气枪吹干，基片清洁工作完成；
第二步NDI-C14真空蒸镀成膜：将上述预处理的SiO2/Si基片置于真空蒸镀仪中，在真空压力1×10-4Pa下，基片温度25℃-120℃蒸镀80nm的NDI-C14(三次平行实验分别为25℃、70℃、120℃)，蒸镀速度为
第三步真空蒸镀金属电极：在室温下蒸镀40nm金电极，电极间距为50μm×2mm，100μm×2mm，150μm×2mm，制得NDI-C14有机场效应晶体管。该有机场效应晶体管以硅作栅电极、SiO2作绝缘层、NDI-C14作有机半导体层、金(Au)作漏电极和源电极，结构组成为顶部接触式的n型有机场效应晶体管。
SiO2/Si基片是指在Si片上面覆盖300nm的SiO2氧化层。
该n型有机场效应晶体管没有自组装分子层修饰，其性能指标(电子传输性能)较差为1.7×10-5cm2/V·s，基本不显示场效应特征。
实施例2
将SiO2/Si基片预处理，如实施例1；
基片的自组装处理：将十八烷基膦酸(ODPA)溶于无水四氢呋喃中，配制0.6mmol/L的溶液，用提拉法(所谓提拉法，就是通过使溶剂自然挥发后在SiO2/Si基片上形成均匀薄膜，长成的十八烷基膦酸(ODPA)薄膜)在预处理的SiO2/Si基片上生长十八烷基膦酸(ODPA)薄膜，在140℃下真空干燥箱内反应48小时，在这个过程中，磷酸膜与二氧化硅表面形成稳定化学键；然后取出，用四氢呋喃超声清洗处理后的SiO2/Si基片10分钟，清洗后的基片光洁平整，在原子力显微镜下观察可见均匀分布的十八烷基膦酸(ODPA)层，厚度在2.4～4.8nm；
真空蒸镀有机半导体层：将以上的自组装有十八烷基膦酸(ODPA)薄膜的基片置于真空蒸镀仪中，在真空压力1×10-4Pa下，在基片温度选取(25℃、70℃、120℃)，蒸镀80nmNDI-C148有机半导体层，蒸镀速度为
真空蒸镀金属电极如实施例1，制得NDI-C14有机场效应晶体管器件。
在不同的有机层基片温度下，器件性能有较大差别，如下表所示
所示器件迁移率数据为三次实验平均值。经过多次平行筛选，得到最佳基片温度为25℃。该n器件的有机半导体层表面的AFM图如图3所示，显示为有序结晶薄膜。该n型有机场效应晶体管器件的输出曲线图和转移曲线图如图4所示，显示出n型场效应晶体管的传输特性与输出特性曲线。
实施例3
将SiO2/Si基片预处理，如实施例1；
基片的自组装处理，如实施例2；
真空蒸镀有机半导体层如实施例2，NDI-C14有机半导体层的厚度分别选取40nm，60nm，80nm，100nm。基片温度选取25℃。
真空蒸镀金属电极如实施例1，制得NDI-C14有机场效应晶体管器件。
NDI-C14有机半导体层的厚度为80nm的n型有机场效应晶体管显示的最佳电子传输性能为3.7×10-2cm2/V·s，膜层厚度为100nm时，器件电子传输性能为2.4×10-2cm2/V·s，可见这两个厚度条件下，器件性能接近，显示较为明显的场效应特征。当膜层厚度为40nm，60nm，时器件性能有明显下降。因此，器件最佳膜层厚度为80nm。
Claims (3)
1.一种n型有机场效应晶体管的制备方法，包括SiO2/Si基片的预处理，在基片绝缘层表面组装自组装薄膜(SAMs)以及器件制备三部分，具体步骤如下：
第一步SiO2/Si基片的预处理：将切割好的SiO2/Si基片置于丙酮中超声清洗10分钟，用氮气枪吹干之后将基片置于H2SO4(98％)∶H2O2(30％)＝7∶3溶液中，在100℃(溶液微沸)下处理1小时；取出后用去离子水清洗，氮气枪吹干，再置于NH3.H2O(30％)∶H2O2(30％)∶H2O＝1∶1∶5溶液中，在70℃(溶液微沸)下处理30分钟，取出后用去离子水清洗，氮气枪吹干，完成基片清洁工作；
第二步基片的自组装处理：将十八烷基膦酸(ODPA)(结构如附图1所示)，溶于无水四氢呋喃中，配制0.06mmol/L的溶液，用溶液提拉法在预处理的SiO2/Si基片上组装上膦酸的自组装薄膜，在140℃下真空干燥箱内煅烧48小时，然后取出，用无水四氢呋喃超声清洗处理后的SiO2/Si基片10分钟，去离子水清洗后用氮气枪吹干；
第三步真空蒸镀有机半导体层：将自组装有膦酸薄膜的基片置于真空蒸镀仪中，在真空压力不大于1×10-4Pa下，在基片温度25-120℃下，以的速率蒸镀80nm的有机半导体NDI-C14层；
第四步真空蒸镀金电极，在真空压力不大于1.5×10-3Pa下，在基片温度为室温的条件下，以秒的速率蒸镀50nm金作为电极，制得NDI-C14有机场效应晶体管器件。
2.根据权利要求1所述的一种有机半导体材料(NDI-C14)(结构如附图1所示)及自组装方法，其自组装时所用的溶液浓度为0.6mmol/L，所用溶剂为无水四氢呋喃。
3.根据权利要求1所述的一种有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于所述的第三步中，蒸镀有机半导体层的基片温度为25℃(室温)，蒸镀速率为秒，有机半导体层的蒸镀厚度为80nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170118 |