CN108831904A - 一种垂直结构有机薄膜晶体管阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种垂直结构有机薄膜晶体管阵列及其制备方法，垂直结构有机薄膜晶体管中的有机半导体层、源极接触电极和漏极均采用喷墨打印技术制备，有机半导体层为有机半导体薄膜点阵列，源极接触电极和漏极采用PEDOT：PSS纳米导电墨水，通过喷墨打印制备成点阵。源极接触电极和漏极为同步沉积，其中源极点阵沉积在距离有机半导体薄膜点阵列每个点旁，漏极沉积在有机半导体薄膜点阵列每个点的正上方，二者点阵列的中心重合。本发明制备的薄膜晶体管阵列工艺简单、快速、准确，可制备任意图案，且得到器件均一性好，有利于节约成本及大规模生产，该垂直结构的薄膜晶体管阵列有望广泛用于传感器阵列、有源主动显示、大规模集成电路及物联网等领域。
Description
技术领域
本发明属于电子材料及器件技术领域，涉及一种垂直结构有机薄膜晶体管阵列及其制备方法，适用于制备传感器、有源主动显示、大规模集成电路及物联网等领域。
背景技术
有机薄膜晶体管是一种利用有机材料代替传统无机材料的半导体器件。和传统无机半导体材料相比，有机材料具有更多的优点，例如在室温条件下就可以通过旋涂、喷墨打印聚合物和有机小分子材料得到有源层，制备温度低实现低成本化。而且有机材料具有原料易得、可大面积化、柔性化等优点，所以未来的发展前景广阔。但是，有机薄膜晶体管还存在着电流密度低，操作速度慢，迁移率低等缺点，关于提升其性能的研究也备受关注。垂直结构有机薄膜晶体管作为一种从结构角度改善上述问题的方法有着诸多的优势，由于其载流子传输的方向是垂直传输，沟道长度是由有源层厚度直接决定的，通过控制有源层厚度，可以将沟道长度缩短到纳米级别，大大提升了器件的性能。但是目前垂直结构有机薄膜晶体管的制备工艺尚未成熟，还处于实验室级别。对于垂直结构有机薄膜晶体管，能否制备成大面积、性能均一的器件阵列决定着这种结构的晶体管能否应用于商业化和集成电路中。大面积有机薄膜晶体管器件阵列由于制备过程中需要印刷多层功能层材料，而如何快速准确的沉积多层独立的小面积、性能好的器件阵列成为一个难点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种垂直结构有机薄膜晶体管阵列及其制备方法，该方法通过喷墨打印的方式独立各个器件，从而大大简化了垂直结构有机薄膜晶体管阵列的制备工艺，提高了薄膜晶体管阵列制备过程中的均一性和稳定性，降低了工艺成本。
本发明上述目的通过如下技术方案实现。
一种垂直结构有机薄膜晶体管阵列，所述薄膜晶体管阵列为垂直结构，从下往上依次为基底、绝缘层、源极连接介质、有源层、源极及漏极；所述基底包括基底硅片和绝缘层，所述基底硅片为纯硅片，该硅片既为衬底又为栅极，所述绝缘层为无机绝缘材料，所述源极连接介质为能形成网格结构的纳米材料，所述有源层为有机半导体聚合物墨水形成的薄膜，所述源极和漏极为PEDOT：PSS纳米导电墨水形成的导电电极；机半导体层、源极接触电极或漏极中的至少一种采用喷墨打印技术制备。
在本发明一实施例中，所述垂直结构有机晶体管及其阵列中的有机半导体层采用以有机半导体材料作为溶质的墨水，该有机材料为有机小分子、有机聚合物大分子或者有机小分子与有机聚合物大分子的混合物。
进一步的，所述的有机半导体墨水的良溶剂为氯苯、二氯苯酚、四氯化碳、三氯甲烷中的一种单溶剂或者二元混合溶剂；所述有机半导体墨水的二元混合溶剂中，幅溶剂的体积分数为10至40%。
在本发明一实施例中，有源层为有机半导体薄膜点阵列，通过喷墨打印的方式制备，单个点的厚度为120至160nm，直径为200至800μm。
在本发明一实施例中，源极接触电极和漏极采用PEDOT：PSS/纳米导电墨水，通过喷墨打印制备成点阵，该电极直径为100至500μm。
在本发明一实施例中，所述源极接触电极和漏极为同步沉积，其中源极点阵沉积在距离有机半导体薄膜点阵列每个点旁50至200μm处，漏极沉积在有机半导体薄膜点阵列每个点的正上方，二者点阵列的中心重合。
本发明还提供一种上述垂直结构有机薄膜晶体管的制备方法具体包括：
S1：在含有栅极、绝缘层、网状源极的衬底上利用喷墨打印沉积有机半导体薄膜点阵列并退火；
S2：利用喷墨打印，在有机半导体薄膜点阵列中每个点的旁侧和正上方分别沉积源极接触电极和漏极并退火。
优选的，上述步骤S1中，所述绝缘层为无机氧化物薄膜，通过原子层沉积的方式制备，厚度为50至150nm。
优选的，上述步骤S1中，所述源极连接介质为能形成网格结构的纳米材料，通过旋涂、刮涂或打印的方式制备。
以上的，步骤S1和S2中，所述有机半导体墨水和导电墨水经过非接触式喷墨打印工艺在一高平整度且与墨水接触角小于90度的基板上沉积。
与现有技术相比，本发明具有以下明显的优势：
1.有机半导体层采用喷墨打印的方法制备，无需掩膜版蒸镀、贴胶带-提拉浸泡等图案化工艺，解决了溶液法制备有机半导体层图案化的难题，降低了成本。
2.源极接触电极和漏极采用喷墨打印的方法制备，无需图案化的同时还能够实现同步沉积，简化了工艺。
3.基于喷墨打印的垂直结构有机薄膜晶体管克服了基于溶液法的垂直结构有机薄膜晶体管无法阵列化的难题，且得到的器件阵列均一性好，性能稳定，有利于节约成本及大规模生产。
附图说明
图1是本发明中实例1制备的一种基于垂直结构有机薄膜晶体管阵列的单个器件结构示意图，有源层厚度为140nm。
图2是本发明中实例1制备的一种基于垂直结构有机薄膜晶体管阵列的最终器件阵列示意图，单个器件的有源层直径为500μm，源漏电极直径为200μm。
图3是本发明中实例1中所测试出的转移特性曲线图。
图4是本发明中实例1中所测试出的体现一种基于垂直结构有机薄膜晶体管阵列器件性能均一性的开关比统计分布图。
【标号说明】：其中，100为硅片，110为绝缘层，120为源极连接介质，130为有源层，140为源极，150为漏极。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
一种垂直结构有机薄膜晶体管阵列，所述薄膜晶体管阵列为垂直结构，从下往上依次为基底、绝缘层、源极连接介质、有源层、源极及漏极；所述基底包括基底硅片和绝缘层，所述基底硅片为纯硅片，该硅片既为衬底又为栅极，所述绝缘层为无机绝缘材料，所述源极连接介质为能形成网格结构的纳米材料，所述有源层为有机半导体聚合物墨水形成的薄膜，所述源极和漏极为PEDOT：PSS纳米导电墨水形成的导电电极；机半导体层、源极接触电极或漏极中的至少一种采用喷墨打印技术制备。
在本发明一实施例中，所述垂直结构有机晶体管及其阵列中的有机半导体层采用以有机半导体材料作为溶质的墨水，该有机材料为有机小分子、有机聚合物大分子或者有机小分子与有机聚合物大分子的混合物。
进一步的，所述的有机半导体墨水的良溶剂为氯苯、二氯苯酚、四氯化碳、三氯甲烷中的一种单溶剂或者二元混合溶剂；所述有机半导体墨水的二元混合溶剂中，幅溶剂的体积分数为10至40%。
在本发明一实施例中，有源层为有机半导体薄膜点阵列，通过喷墨打印的方式制备，单个点的厚度为120至160nm，直径为200至800μm。
在本发明一实施例中，源极接触电极和漏极采用PEDOT：PSS/纳米导电墨水，通过喷墨打印制备成点阵，该电极直径为100至500μm。
在本发明一实施例中，所述源极接触电极和漏极为同步沉积，其中源极点阵沉积在距离有机半导体薄膜点阵列每个点旁50至200μm处，漏极沉积在有机半导体薄膜点阵列每个点的正上方，二者点阵列的中心重合。
如图1-1所示，本实施例提供一种基于垂直结构有机薄膜晶体管阵列，所述薄膜晶体管阵列为垂直结构，从下往上依次为基底、绝缘层110、源极连接介质120、有源层130、源极140、漏极150，所述基底包括基底硅片100和绝缘层110，所述基底硅片100为纯硅片，该硅片既为衬底又为栅极，所述绝缘层110为无机绝缘材料，所述源极连接介质120为能形成网格结构的纳米材料，所述有源层140为有机半导体聚合物墨水形成的薄膜，所述源极140和漏极150为PEDOT：PSS/纳米导电墨水形成的导电电极。
进一步的，在本实施例中，所述绝缘层为绝缘氧化物薄膜，通过原子层沉积的方式制备，厚度为50至150nm。
进一步的，在本实施例中，源极连接介质为能形成网格结构的纳米材料，通过旋涂、刮涂或打印的方式制备。
进一步的，在本实施例中，有源层为有机半导体薄膜点阵列，通过喷墨打印有机半导体聚合物墨水的方式制备，单个点的厚度为120至160nm，直径为200至800μm。
进一步的，在本实施例中，所述的有机半导体聚合物墨水以有机半导体聚合物作为溶质，该有机材料为有机小分子、有机聚合物材料或者有机小分子与有机聚合物材料的混合物；所述的有机半导体聚合物墨水的良溶剂可以是氯苯/二氯苯酚/四氯化碳/三氯甲烷中的一种单溶剂或者二元混合溶剂。所述有机半导体聚合物墨水的二元混合溶剂中，副溶剂的体积分数为10至40%。
进一步的，在本实施例中，所述源极和漏极为PEDOT：PSS/纳米导电墨水的材料通过喷墨打印的方式制备，该电极直径为100至500μm。
以下为本发明的具体实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。
实施例1
1）大小约为1.5 cm×1.5 cm的纯硅片分别在丙酮和异丙醇中分别清洗后用氮气吹干后作为基底；
2）采用原子层沉积的方式在步骤1）中所得的硅片上沉积一层氧化铝薄膜作为绝缘层，沉积温度为200℃，得到的氧化铝薄膜厚度为100nm；
3）将源极连接材料银纳米线以0.5mg/mL的配比分散在异丙醇溶剂中。以此溶液为源极连接材料采用旋涂方式制备在步骤2）中所得到的氧化铝衬底上。旋涂速度为2000rpm/min，时间为60s，然后在110℃下退火1 min；
4）将半导体聚合物PDVT-8以2.5mg/mL的配比溶解于氯苯-二氯苯酚的混合溶剂中，其中混合溶剂氯苯：二氯苯酚的体积分数比为4:1，该溶液通过0.22μm的针头过滤器过滤。以此溶液为有机半导体聚合物墨水，通过按需型压电式喷墨打印机打印在步骤3）所得的衬底上。喷墨打印基底的温度为60℃，打印完成后150℃加热10min；
5）将银纳米颗粒导电墨水通过0.22μm的针头过滤器过滤，以此溶液为纳米导电墨水，通过按需型压电式喷墨打印机打印在步骤4）所得的衬底上。源极和漏极为同步沉积，其中源极沉积在距离有源层50μm处，漏极沉积在有源层正上方，与有源层中心重合。喷墨打印基底的温度为室温，打印完成后140℃加热10min。 最终形成如图2所示的器件阵列；
实施例1制备的一种基于垂直结构有机薄膜晶体管阵列在电学转移特性曲线如图3所示。由图3可知，垂直结构有机薄膜晶体管阵列的开态电流密度为6.2mA cm-2, 开关比超过104。与传统方法做出的垂直结构有机薄膜晶体管单个器件性能相近。
实施例1制备的一种基于垂直结构有机薄膜晶体管阵列的器件开关比统计分布图如图4所示。由图4可知，本发明制备的垂直结构有机薄膜晶体管阵列具有良好的均一性和良率。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种垂直结构有机薄膜晶体管阵列，其特征在于：所述薄膜晶体管阵列为垂直结构，从下往上依次为基底、绝缘层、源极连接介质、有源层、源极及漏极；所述基底包括基底硅片和绝缘层，所述基底硅片为纯硅片，该硅片既为衬底又为栅极，所述绝缘层为无机绝缘材料，所述源极连接介质为能形成网格结构的纳米材料，所述有源层为有机半导体聚合物墨水形成的薄膜，所述源极和漏极为PEDOT：PSS纳米导电墨水形成的导电电极；机半导体层、源极接触电极或漏极中的至少一种采用喷墨打印技术制备。
2.根据权利要求1所述的垂直结构薄膜晶体管阵列，其特征在于：所述垂直结构有机晶体管及其阵列中的有机半导体层采用以有机半导体材料作为溶质的墨水，该有机材料为有机小分子、有机聚合物大分子或者有机小分子与有机聚合物大分子的混合物。
3.根据权利要求2所述的垂直结构有机薄膜晶体管阵列，其特征在于：所述的有机半导体墨水的良溶剂为氯苯、二氯苯酚、四氯化碳、三氯甲烷中的一种单溶剂或者二元混合溶剂；所述有机半导体墨水的二元混合溶剂中，幅溶剂的体积分数为10至40%。
4.根据权利要求1所述的垂直结构薄膜晶体管阵列，其特征在于：有源层为有机半导体薄膜点阵列，通过喷墨打印的方式制备，单个点的厚度为120至160nm，直径为200至800μm。
5.根据权利要求1所述的垂直结构薄膜晶体管阵列，其特征在于：源极接触电极和漏极采用PEDOT：PSS/纳米导电墨水，通过喷墨打印制备成点阵，该电极直径为100至500μm。
6.根据权利要求1所述的垂直结构薄膜晶体管阵列，其特征在于：所述源极接触电极和漏极为同步沉积，其中源极点阵沉积在距离有机半导体薄膜点阵列每个点旁50至200μm处，漏极沉积在有机半导体薄膜点阵列每个点的正上方，二者点阵列的中心重合。
7.一种垂直结构有机薄膜晶体管及其阵列的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：在含有栅极、绝缘层、网状源极的衬底上利用喷墨打印沉积有机半导体薄膜点阵列并退火；
S2：利用喷墨打印，在有机半导体薄膜点阵列中每个点的旁侧和正上方分别沉积源极接触电极和漏极并退火。
8.根据权利要求7所述的垂直结构有机薄膜晶体管及其阵列的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述绝缘层为无机氧化物薄膜，通过原子层沉积的方式制备，厚度为50至150nm。
9.根据权利要求7所述的垂直结构有机薄膜晶体管及其阵列的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述源极连接介质为能形成网格结构的纳米材料，通过旋涂、刮涂或打印的方式制备。
10.根据权利要求7所述的垂直结构有机薄膜晶体管及其阵列的制备方法，其特征在于：步骤S1和S2中，所述有机半导体墨水和导电墨水经过非接触式喷墨打印工艺在一高平整度且与墨水接触角小于90度的基板上沉积。
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| GR01 | Patent grant | ||
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