CN109065729A - 基于有机-无机范德华异质结的双极性场效应晶体管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有机‑无机范德华异质结的双极性场效应晶体管。该有机‑无机范德华异质结器件，由下至上依次为有机聚合物薄膜层、无机半导体层和上电极，且所述上电极位于所述无机半导体层两端的上方；构成所述有机聚合物薄膜层的材料为PDVT‑10；所述无机半导体层的材料为MoS₂。该器件具有双极性晶体管特性，n型迁移率最高可达2.45cm²V^‑1S^‑1，p型迁移率最高可达0.80cm²V^‑1S^‑1，开关比可达10³。同时，异质结器件在白光下有明显的光响应，开关比最高可达1.3×10³，光响应度可达1.38A/W。由此异质结构成的二极管特性明显，击穿电压为5V，整流比约78，理想因子6.4。

Description

基于有机-无机范德华异质结的双极性场效应晶体管

技术领域

本发明属于光电器件材料领域，具体涉及一种基于有机-无机范德华异质结的双极性场效应晶体管。

背景技术

高性能的薄膜晶体管是平板显示产业中背板技术的核心部件，也是提高电子设备显示效果、降低成本的重要环节。目前基于硅半导体的晶体管仍是商业中应用最广的，然而柔性、大面积、高分辨和三维显示技术的发展，对晶体管背板的性能要求越来越高。溶液法制备的有机场效应晶体管具有低制备成本和快速制备的优点，并且适用于大面积制备，可以一定程度上的弥补传统硅半导体的不足。溶液法制备可以通过传统的旋涂法或者是层层自组装法比如LB膜技术。LB膜技术是制备分子层精度的薄膜的很好的方法，可以得到厚度可控的薄膜。

二维原子材料/半导体异质结是范德华异质结，区别于传统p-n结，在范德华异质结中二维原子材料的费米能级能够被独立调节，这使得二维原子材料/半导体异质结可以成为未来集成电路和光电子器件的新基础，广泛用于光电领域。

异质结常具有两种半导体各自都不能达到的优良的光电特性，使它适宜于制作超高速开关器件、太阳能电池、半导体激光器、晶体管等。异质结具有量子效应、发光效率较大以及迁移率变大的优点。

过渡金属硫化物是二维原子材料中重要的一员，二硫化钼(MoS₂)是一种典型的过渡金属硫化物，它存在一个可调控的带隙，且具备优异的半导体特性。单层MoS₂场效应管的迁移率高达700cm²V^-1S^-1，开关电流比达到10⁸。薄层的MoS₂相比零带隙的石墨烯，在光电子器件方面表现出更为优异的特性。可溶性聚合物PDVT-10在邻二氯苯溶剂中具有良好的溶解性，可达4mg/mL的浓度，传统旋转涂抹法制备的PDVT-10薄膜迁移率最高可达8.2cm²V^-1S^-1，开关电流比达到10⁶，具备优良的半导体特性。基于无机材料MoS₂以及有机材料PDVT-10的优异性能，选取这两种材料来进行有机-无机的异质结研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于有机-无机范德华异质结的双极性场效应晶体管。

本发明提供的有机-无机范德华异质结器件，由下至上依次为有机聚合物薄膜层、无机半导体层和上电极，且所述上电极位于所述无机半导体层两端的上方；

构成所述有机聚合物薄膜层的材料为p型半导体材料PDVT-10(也即聚{3,6-[(反式)5,5'-二(2,2'-联二噻吩)乙烯基]-2,5-二(2-癸基-十四基)吡咯[3,4-c]并吡咯-1,4-二酮})

所述无机半导体层的材料为n型半导体材料MoS₂。

上述有机-无机范德华异质结器件中，所述有机聚合物薄膜层的厚度为8-9nm；

所述无机半导体层的厚度为0.8-1nm；

有机-无机范德华异质结区域的厚度为8.8-10nm；

所述上电极的厚度为95-100nm；

所述有机-无机范德华异质结器件的厚度为105-110nm。

构成所述上电极的材料选自Au、Al、Ag、Pt、W、Ru、Ti、Ta、Pb、Co、Mo、Ir、Ni和Cu中至少一种。

本发明提供的制备所述有机-无机范德华异质结器件的方法，包括：

1)制备p型半导体材料PDVT-10薄膜；

2)在所述有机聚合物薄膜层上制备无机半导体层；

3)在所述无机半导体层上制备上电极，得到所述有机-无机范德华异质结器件。

上述方法的步骤1)中，制备p型半导体材料PDVT-10薄膜的方法为LB膜法。

具体的，所述LB膜法包括：

将PDVT-10的分散液滴加到水面，待所述分散液中的溶剂挥发后，压缩表面压力，水平转移薄膜于基板上，退火而得。

更具体的，所述分散液中，溶剂为邻二氯苯；所述分散液的浓度为3.8-4.2mg/mL；具体为4mg/mL；所述水为三次水；

滴加速率为8-12μL/min；

所述压缩表面压力步骤中，压缩后的表面压力为7-9mN/m；具体为8mN/m；

所述退火步骤中，温度为175-185℃；具体为180℃；时间为13-18分钟；具体为15分钟；

所述基板为Si/SiO₂基板。

上述LB膜法中，PDVT-10可按照文献(Chen,H.；Guo,Y.；Yu,G.；Zhao,Y.；Zhang,J.；Gao,D.；Liu,H.；Liu,Y.Adv.Mater.2012,24,(34),4618-4622.)合成得到；所用LB膜仪器可为瑞典百欧林公司购买的KSV-NIMA型号；

所述步骤2)中，制备方法为化学气相沉积法；

硫粉与MoO₃的质量比为79-81：19-21；具体为80:20；

载气为氩气；

载气流速为9-11sccm；具体为10sccm；

硫粉所在区域的沉积温度为120-140℃；具体为130℃；

MoO₃所在区域的沉积温度为710-730℃；具体为720℃；

沉积时间为4-6分钟；具体为5分钟。

所述步骤2)利用化学气相沉积方法制备无机半导体层具体可按照包括如下步骤的方法进行：

将载有mg S粉的陶瓷舟置于石英管上游部门，将载有19-21mg MoO₃粉末的陶瓷舟置于石英管的加热区，以190-210sccm的流速通入氩气9-11分钟，之后加热石英管的加热区域到490-510℃11-13分钟，490-510℃到710-730℃19-21分钟，在710-730℃下保持4-6分钟后，在石英管温度为710-730℃时，S粉的区域单独加热到120-140℃，此时氩气以9-11sccm的流速持续通入；打开石英炉前先自710-730℃降温到560-580℃，之后打开炉门快速降温，得到沉积在Si/SiO₂基底上的单层MoS₂薄膜，之后在薄膜上旋涂一层薄的PMMA，用HF溶液腐蚀掉SiO₂层后将MoS₂/PMMA薄膜转移到沉积有有机半导体层2上，再用二氯甲烷洗掉表面的PMMA，而得；

所述步骤3)中，制备上电极的方法为先真空蒸镀再利用探针转移；制备上电极的方法具体包括：先在真空度为7×10^-6-7×10^-7Pa舱体中，以的蒸镀速率向下蒸镀金属，再利用探针将蒸镀得到的电极转移到所述无机半导体层上。

所述真空蒸镀法中，真空度具体为7×10^-6-7×10^-7Pa；蒸镀速率为

另外，上述本发明提供的有机-无机范德华异质结器件在制备超高速开关器件、太阳能电池、半导体激光器、晶体管场效应器件、集成电路和光电子器件中任意一种中的应用，也属于本发明的保护范围。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明涉及的有机-无机范德华异质结材料，利用LB膜法制备得到PDVT-10超薄膜(9nm)，同时与单层的MoS₂薄膜结合，得到了超薄(10nm)的异质结薄膜，并具有双极性晶体管特性、光响应特性以及整流特性。该器件具有双极性晶体管特性，n型迁移率最高可达2.45cm²V^-1S^-1，p型迁移率最高可达0.80cm²V^-1S^-1，开关比可达10³。同时，异质结器件在白光下有明显的光响应，开关比最高可达1.3×10³，光响应度可达1.38A/W。由此异质结构成的二极管特性明显，击穿电压为5V，整流比约78，理想因子6.4。在光电应用方面取得了显著的进展，为有机-无机范德华异质结提供了新的方向。

附图说明

图1为依照本发明实施例的有机-无机范德华异质结结构示意图；

图2是依照本发明实施例制备的有机-无机范德华异质结场效应测试结果示意图；

图3是依照本发明实施例制备的有机-无机范德华异质结光响应特性结果示意图；

图4是依照本发明实施例制备的有机-无机范德华异质结二极管特性结果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

实施例1、

图1是依照本发明实施例的有机-无机范德华异质结的结构示意图。如图1所示，该有机-无机范德华异质结包括Si/SiO₂基板1、厚度为9nm的PDVT-10有机聚合物薄膜层2、厚度为1nm的MoS₂无机半导体层3和Au上电极4。

该器件的制备方法包括：

1)利用LB膜法制备PDVT-10方法：配制4mg/mL的PDVT-10的邻二氯苯溶液作为分散溶液，水相为亚相，所用水为三次水。滴加PDVT-10的邻二氯苯溶液到亚相表面，待溶剂挥发后，压缩至表面压力为8mN/m，水平转移薄膜于基板1上，并在180℃下退火15分钟；

2)利用气相沉积法制备MoS₂：将载有80mg S粉的陶瓷舟置于石英管上游部门，将载有20mgMoO₃粉末的陶瓷舟置于石英管的加热区，以200sccm的流速通入氩气10分钟，之后加热石英管的加热区到500℃12分钟，500℃到720℃20分钟，在720℃下保持5分钟。在石英管温度为720℃时，S粉区单独加热到130℃，此时氩气以10sccm的流速持续通入。打开石英炉前先自720℃降温到570℃，之后打开炉门快速降温。以此制备得到沉积在Si/SiO₂基底上的单层MoS₂薄膜，之后在薄膜上旋涂一层薄的PMMA，用HF溶液腐蚀掉SiO₂层后将MoS₂/PMMA薄膜转移到沉积有有机半导体层2上，再用二氯甲烷洗掉表面的PMMA；

3)制备上电极：在真空度为7×10^-6～7×10^-7Pa的舱体中，以的蒸镀速率向下蒸镀金属Au，至厚度达到100nm。然后利用探针转移到无机半导体层3上。

基于图1所示的有机-无机范德华异质结结构，以下详细说明此有机-无机范德华异质结的构建方法：

首先沉积一层有机半导体材料2在基板1上，然后将无机半导体材料3转移到沉积有机半导体材料2的基板上，再使用探针将金属电极4转移到无机半导体材料3上。

图2是依照本发明实施例制备的有机-无机范德华异质结场效应测试结果示意图。由PDVT-10/MoS₂/Au形成的有机-无机范德华异质结场效应晶体管，测试得到的电流-电压特性曲线示意图，该有机-无机范德华异质结场效应晶体管表现出明显的双极性特性，n型迁移率最高可达2.45cm²V^-1S^-1，p型迁移率最高可达0.80cm²V^-1S^-1，开关比可达10³。

图3是依照本发明实施例制备的有机-无机范德华异质结光响应特性结果示意图。异质结区域在白光下有明显的光响应，开关比最高可达1.3×10³，光响应度可达1.38A/W。

图4是依照本发明实施例制备的有机-无机范德华异质结二极管特性结果示意图。击穿电压为5V，整流比约78，理想因子6.4。

Claims (10)

1.一种有机-无机范德华异质结器件，由下至上依次为有机聚合物薄膜层、无机半导体层和上电极，且所述上电极位于所述无机半导体层两端的上方；

构成所述有机聚合物薄膜层的材料为PDVT-10；

所述无机半导体层的材料为MoS₂。

2.根据权利要求1所述的有机-无机范德华异质结器件，其特征在于：所述有机聚合物薄膜层的厚度为8-9nm；

所述无机半导体层的厚度为0.8-1nm；

有机-无机范德华异质结区域的厚度为8.8-10nm；

所述上电极的厚度为95-100nm。

3.根据权利要求1或2所述的有机-无机范德华异质结器件，其特征在于：构成所述上电极的材料选自Au、Al、Ag、Pt、W、Ru、Ti、Ta、Pb、Co、Mo、Ir、Ni和Cu中至少一种。

4.一种制备权利要求1-3中任一所述有机-无机范德华异质结器件的方法，包括：

1)制备p型半导体材料PDVT-10薄膜；

2)在所述有机聚合物薄膜层上制备无机半导体层；

3)在所述无机半导体层上制备上电极，得到所述有机-无机范德华异质结器件。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，制备p型半导体材料PDVT-10薄膜的方法为LB膜法。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述LB膜法包括：

将PDVT-10的分散液滴加到水面，待所述分散液中的溶剂挥发后，压缩表面压力，水平转移薄膜于基板上，退火而得。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述分散液中，溶剂为邻二氯苯；所述分散液的浓度为3.8-4.2mg/mL或4mg/mL；

滴加速率为8-12μL/min；

所述压缩表面压力步骤中，压缩后的表面压力为7-9mN/m或8mN/m；

所述退火步骤中，温度为175-185℃或180℃；时间为13-18或15分钟；

所述基板为Si/SiO₂基板。

8.根据权利要求4-7中任一所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中，制备方法为化学气相沉积法；

硫粉与MoO₃的质量比为79-81：19-21或80:20；

载气为氩气；

载气流速为9-11sccm或10sccm；

硫粉所在区域的沉积温度为120-140℃或130℃；

MoO₃所在区域的沉积温度为710-730℃或720℃；

沉积时间为4-6分钟或5分钟。

9.根据权利要求4-8中任一所述的方法，其特征在于：所述步骤3)中，制备上电极的方法为真空蒸镀法；

所述真空蒸镀法中，真空度具体为7×10^-6-7×10^-7Pa；蒸镀速率为

10.权利要求1-3中任一所述有机-无机范德华异质结器件在制备超高速开关器件、太阳能电池、半导体激光器、晶体管场效应器件、集成电路和光电子器件中任意一种中的应用。